DE2723419A1

DE2723419A1 - Betriebssystem fuer lichtemittierende elemente

Info

Publication number: DE2723419A1
Application number: DE19772723419
Authority: DE
Inventors: Yasuo Dipl Ing Nagai; Noboru Dipl Ing Sonetsuji; Takashi Dipl Ing Touge; Matazou Dipl Ing Yamagata
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1976-05-25
Filing date: 1977-05-24
Publication date: 1977-12-01
Also published as: JPS52143790A; FR2353198B1; US4149071A; GB1566809A; JPS5851435B2; FR2353198A1; DE2723419C2; CA1075316A

Description

In einem System, bei dem ein lichtemittierendes Element, z.B. ein Halbleiterlaser oder eine Leuchtdiode u.s.w.,direkt durch einen Betriebsstrom moduliert wird, der einem Eingangs-Modulationssignal entspricht, wird der Betriebsstrom so gewählt, daß er einem Integralwert des Eingangs-Modulationssignals entspricht, wobei die auf thermischer Ursache beruhende Verschlechterung der Modulationscharakteristik des lichtemittierenden Elementes kompensiert wird, so daß eine gewünschte Wellenform der optischen Ausgangsleistung erreicht wird.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Betriebssystem für ein lichtemittierendes Element, insbesondere auf ein solches derartiges Betriebssystem , welches für eine verbesserte Modulationscharakteristik zur direkten Modulation eines Halbleiterlasers, einer Leuchtdiode oder eines ähnlichen lichtemittierenden Elementes durch einen Betriebsstrom ausgelegt ist.

Halbleiterlaser, Leuchtdioden und entsprechende lichtemittierende Elemente besitzen vorteilhafterweise eine geringe Größe und einen hohen Wirkungsgrad und können leicht direkt moduliert werden u.s.w., damit sind sie vielversprechende optische Sender für eine optische Nachrichtenübertragung. Zur Zeit werden optische Nachrichtensysteme entwickelt, bei denen derartige lichtemittierende Elemente benutzt werden. Einer der Nachteile des lichtemittierenden Elementes ist eine kurze Lebensdauer, jedoch wurde kürzlich von einem Halbleiterlaser mit einer Lebensdauer von 10 und mehreren tausend Stunden und von einer Leuchtdiode mit einer noch längeren Lebensdauer berichtet. Außerdem wird berichtet, daß die Lebensdauer des Halbleiterlasers und der Leuchtdiode, entsprechend einer Abschätzung aus dem Ergebnis einer Alterung in einer Hochtemperatur-Atmosphäre, länger als 100 000 Stunden bzw. länger als 1 Million Stunden ist.

Damit sind die lichtemittierenden Elemente, wie z.B. der Halbleiterlaser , die Leuchtdiode u.s.w., schnell entwickelt und verbessert worden, und aufgrund dieser Verbesserungen bei den licht-

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emittierenden Elementen wurde der Entwicklungsstand der optischen Verstärker u.s.w. für optische Nachrichtensysteme, die jeweils mit derartigen lichtemittierenden Elementen gebildet werden, ebenfalls verbessert, und damit wurden die Qualitätsanforderungen für sie ebenfalls bedeutungsvoll. Insbesondere für den Fall des Wettbewerbes mit einem Draht-Nachrichtensystem mit Koaxial-Kabeln u.s.w. müssen die optischen Nachrichtensysteme, bei denen lichtemittierende Elemente und optische Kabel u.s.w. benutzt werden, möglichst ökonomisch konstruiert sein, dazu muß die Zahl der Einzelteile, die für den optischen Verstärker und andere Anordnungen benutzt werden, vermindert werden, um einen verminderten Leistungsverbrauch zu erreichen.

Andererseits ist es notwendig, zur Modulation des lichtemittierenden Elementes, z. B. ein Halbleiterlaser, eine Leuchtdiode u.s.w., entsprechend einem Eingangs-Modulationssignal die dynamische Charakteristik des lichtemittierenden Elementes hinreichend zu beherrschen. Dazu wurden einige Lösungen zur Behebung der Verschlechterung einer optischen Wellenform vorgeschlagen, die durch Phänomene wie Relaxationsschwingungen und Laser-Verzögerungszeiten des lichtemittierenden Elementes hervorgerufen werden. Diese Probleme werden im Falle einer relativ hohen Modulationsgeschwindigkeit noch vermehrt. Jedoch bleibt das Niveau einer Wellenform der optischen Ausgangsleistung im Falle mittlerer und geringerer Modulationsgeschwindigkeiten, selbst wenn der Höchstwert eines Betriebsstromes konstant ist, nicht unverändert. Insbesondere wenn ein gleichförmiger optischer Ausgangspuls erreicht werden soll, zeigt sich das Phänomen, daß das Niveau des Pulses schrittweise absinkt, und falls die Pulsbreite des gepulsten Betriebsstromes relativ groß ist, entsteht ein Abfall in der Wellenform des optischen Pulses. Wenn ein derartiger optischer Impulszug benutzt wird, z.B. bei der Nachrichtenübertragung mit Pulszahlmodulation, ist ein Augendiagramm des empfangenen Signales verschlechtert und führt zu einer erhöhten Fehlerrate. Mit anderen Worten, die Übertragungsgüte des optischen Nachrichtenübertragungssystems wird verschlechtert.

Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Betriebssystem für licht-

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emittierende Elemente aufzuzeigen, bei dem es möglich ist, daß die Wellenform der optischen Ausgangsleistung genau einem Eingangs-Modulationssignal entspricht.

Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, die sich aus thermischen Ursachen eines lichtemittierenden Elementes ergebende verschlechterte Modulationscharakteristik zu kompensieren.

Kurz gesagt, hat bei der vorlegenden Erfindung ein Betriebsstrom eine solche Wellenform, daß ein Eingangs-Modulationssignal durch eine Kompensatorvorrichtung zur Kompensation einer Veränderung der optischen Ausgangsleistung, hervorgerufen durch die thermische Konstante des lichtemittierenden Elementes, z.B. eines Halbteterlasers oder einer Leuchtdiode u.s.w., korrigiert wird, und das lichtemittierende Element wird mit dem Betriebsstrom versorgt, um eine der Wellenform des Eingangs-Modulationssignales proportionale Wellenform einer optischen Ausgangsleistung zu erhalten.

Andere Aufgaben und Effekte dieser Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlich, die anhand der Figuren erfolgt.

Die Figuren 1 und 2 sind beispielhafte Darstellungen der Beziehung zwischen der optischen Ausgangsleistung eines lichtemittierenden Elementes und einem Betriebsstrom.

Die Figuren 3 bis 5 sind beispielhafte Darstellungen der Charakteristik zv/ischen der optischen Ausgangsleistung des lichtemittierenden Elementes und dem Betriebsstrom. Figur 6a ist ein thermisches Ersatzschaltbild des lichtemittierenden Elementes.

Figur 6b ist eine Darstellung, die den charakteristischen Verlauf der optischen Ausgangsleistung und der Spannung des lichtemittierenden Elementes gegenüber dem Betriebsstrom zeigt. Figur 7 ist eine Darstellung, die berechnete und gemessene Werte der optischen Ausgangsleistung des lichtemittierenden Elementes in Abhängigkeit vom Betriebsstrom zeigt.

Figur 8 ist eine Darstellung, die berechnete Temperaturveränderungen der Ubergangszone des lichtemittierenden Elementes in Abhängigkeit vom Betriebsstrom zeigt.

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Die Figuren 9a und 9b sind beispielhafte Ersatzschaltbilder für eine Übergangsfunktion des lichtemittierenden Elementes. Figur 10 zeigt eine übertragungsfunktion. Die Figuren 11a und 11b zeigen Kompensatorkreise. Figur 12 zeigt eine beispielhafte Darstellung der Beziehung zwischen einem kompensierenden Betriebsstrom und der optischen Ausgangsleistung.

Die Figuren 13a und 13b zeigen erfindungsgemäße Betriebs- bzw. Steuerschaltungen.

Figur 14 ist ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Figur 15 ist ein spezielles, betriebsfähiges Schaltbild der in Figur 14 dargestellten Ausführungsform.

Figur 16 ist eine Darstellung der Wellenform, beispielhaft für die Wirkungsweise der Ausführungsform nach Figur 14. Figur 17 ist ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Figur 18 ist ein spezielles betriebsfähiges Schaltbild der Ausführungsform nach Figur 17.

Wie Figur 1 zeigt, sinkt die optische Ausgangsleistung P schrittweise in ihrem Niveau, wenn ein lichtemittierendes Element wiederholt für kurze Zeitintervalle betrieben wird, auch wenn der Höchstwert eines Betriebsstromes I konstant ist. Wie Figur 2 zeigt, tritt, wenn die Pulsbreite des Betriebsstromes I relativ groß ist, ein Abfall in der optischen Ausgangsleistung P des lichtemittierenden Elementes auf, und wenn das lichtemittierende Element wiederholt betrieben wird, sinkt der Höchstwert der optischen Ausgangsleistung P ebenfalls schrittweise ab.

Ein Halbleiterlaser hat eine Betriebsstrom-I-optische-Ausgangsleistung-P-Kennlinie, wie sie in Figur 3 gezeigt ist, und emittiert Licht, wenn er mit einem Betriebsstrom I versorgt wird. Entsprechend unseren experementiellen Ergebnissen wird ein Schwellstrom I.. durch die folgende Gleichung angegeben:

Dabei ist T die Temperatur der Übergangszone des Halbleiterlasers,

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-8- 7723419

T und I₄, sind Konstanten und T = 80 bis 120 [^οκΊ .

0 ths · -¹

Außerdem wird T . ausgedrückt durch
J

T. = T + ΔΤ. (2)

Dabei Λτ. ein Temperaturanstieg der Übergangszone. Damit folgt aus der Gleichung (1):

τ _ τ . _exp(_JQ_±—_J_ ^

^T0

_{0 0}

T 100 [κ] und Λτ .
(Δ T./T_Q)² = 0,01. Damit folgt, daß

Dabei sei T = 100 [°κ] und Λτ . = 10 [°cj , AT,/T_q = 0,1 und Δ ./T_Q ²

Ein Schwellstrom zum Zeitpunkt T ._Q habe den Wert 1+^₁₀* damit

τ._η ΔΤ.

^Jth ^ ¹UiS- ^eXp(-T^ > * ^{(1 +} T^ >

τ τ At

Falls I,, = I_+hQ + ^I_+h» ergibt sich aus der obigen Gleichung die folgende Gleichung:

ΔΤ.

wobei I- = I · exp(—JÜ ).
thO ths Tn

Angenommen, der Schwellstrom I_th0 sei vor der Temperaturänderung 150 mA, die Temperaturveränderung ΔΤ . sei 10⁰C und T_Q = 100°K, so ergibt sich aus Gleichung (3), daß.ÄI._n = 15 mA. Die Steigung

709848/1180 '"^/9

der Betriebsstrom-I-optische-Ausgangsleistung-P-Kennlinie oberhalb des Schwellstromes verändert sich innerhalb des oben genannten Temperatur-Veränderungsbereiches nicht. Angenommen, daß der Betriebsstrom I beispielsweise 170 mA sei, daß die optische Ausgangsleistung P den Wert 7,5 mW habe, und daß der Schwellstrom bei einer Temperaturveränderung AI_th um 15 mA anwächst, so sinkt die optische Ausgangsleistung des lichtemittierenden Elementes, ohne spontane Lichtemission, auf ungefähr 2596 der optischen Ausgangsleistung vor der Temperaturveränderung.

Wie in Figur 4 dargestellt ist, wird, verglichen mit dem Fall, daß der Betriebsstrom den Wert 0 hat, die folgende Leistung

1,8 · 0,170 = 0,306 [W]

an der Übergangszone des Halbleiterlasers verbraucht, wenn Pulse des Betriebsstromes I oberhalb des Schwellstromes dem Halbleiterlasers zugeführt werden, um von dort die optische Ausgangsleistung P in Form eines Lichtpulses zu erhalten, wenn die Spannung in Flußrichtung am Halbleiterlaser 1,8 V ist, und wenn der Höchstwert eines Modulations-Steuerstromes 170 mA ist.

Die durch den Leistungsverbrauch erzeugte Wärme wird nach außen abgegeben. Unter der Annahme, daß der thermische Widerstand einen Wert von 30°C/W hat, ist der Temperaturanstieg AT. der Übergangszone wie folgt:

AT^. = 0,306 . 30 = 9,2 [°c]

Bei einem solchen Temperaturanstieg der Übergangszone ändert sich die optische Ausgangsleistung um etwa 75 %_f wie oben in Verbindung mit Figur 3 beschrieben wurde.

Wie in Figur 5 dargestellt ist, zeigt die optische Ausgangsleistung P, die erhalten wird, wenn ein Betriebsgleichstrom I zum Zeitpunkt T eingeschaltet und dem Halbleiterlaser zugeführt wird, einen einfachen exponentiellen Verlauf, und die Zeitkonstante τ ist in diesem Falle ungefähr 200 ns, und die Differenz zwischen dem Anfangswert und dem Konvergenzwert der optischen Ausgangs-

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-ίο-

leistung P ist A

Figur 6a zeigt ein thermisches Ersatzschaltbild eines Halbleiterlasers, dabei ist die Temperatur der Ubergangszone mit T. bezeichnet. Die Temperatur eines Halterungsbereiches des Halbleiterlasers ist mit T angezeigt. Die thermische Kapazität und der thermische Widerstand zwischen der Übergangszone und dem Halterungsbereich werden durch C. bzw. durch R. wiedergegeben. Der thermische Widerstand zwischen dem Halterungsbereich und der Luft wird durch R dargestellt. Figur 6b zeigt eine Betriebsstrom-I-optische-Ausgangsleistung -P-Kennlinienkurve (P-I) und eine Betriebsstrom-I-Spannungs-V-Kennlnienkurve (V-I) des Halbleiterlasers. Die Kennlinienkurve (P-I) steigt beim Schwellstrom I.. an, und die Kennlinienkurve (V-I) wird nahezu zu einer Geraden mit einem Spannungswert V_n-

Figur 7 zeigt die Berechnungswerte (durchgezogene Linien) und gemessenen Werte (gebrochene Linien) der Relativwerte der optischen Ausgangsleistung, die erreicht wird, wenn ein Betriebsstrom mit einer Modulationsgeschwindigkeit von 6,3 Mb/s und einer Pulsbreite von 50% der Abtastbreite in einem bestimmten Muster dem Halbleiterlaser zugeführt wird, von dem angenommen wird, daß er das thermische Ersatzschaltbild nach Figur 6a und eine Kennlinie nach Figur 6b besitzt. Die Ergebnisse der Berechnung der Temperaturveränderungen der Ubergangszone sind in Figur 8 gezeigt.

Wie aus Figur 7 hervorgeht, stimmen die berechneten Werte und die gemessenen Werte gut miisinander überein, und aus Figur 8 konnte klar entnommen werden, daß der Effekt des Musters durch die Temperaturveränderungen der Übergangszone verursacht wird. Damit wurde herausgefunden, daß der Effekt des Musters von dem thermischen Effekt verursacht wird, der auf einer Veränderung in der Modulationsleistung beruht, und es wurde angenommen, daß das in den Figuren 6a und 6b vorgeschlagene Modell korrekt ist. Außerdem kann das Auftreten eines Abfalls in der Wellenform der optischen Ausgangsleistung, wie in Figur 2 gezeigt, auch mit dem thermischen Ersatzschaltbild, welches eine thermische Zeitkonstante besitzt, erklärt werden. Mit anderen Worten, wenn (1) sich die Modulations-

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Ausgangsleistung verändert, (2) verändert sich die Temperatur der Übergangszone, so daß (3) der Schwellwert ansteigt, wobei (4) eine Veränderung in der optischen Ausgangsleistung verursacht wird. Diese zeitlichen Veränderungen hängen im wesentlichen von dem thermischen Widerstand R. und der thermischen Kapazität C. zwischen der Übergangszone und dem Halterungsbereich des Halbleiterlasers ab. Dementsprechend werden die oben genannten Veränderungen durch die thermische Zeitkonstante bestimmt, abhängig vom thermischen Widerstand R. und der thermischen Kapazität C..

3 ο

Erfindungsgemäß wird nun die auf thermischer Ursache beruhende Veränderung in der optischen Ausgangsleistung durch eine Steuerung des Betriebsstromes unterdrückt, so daß damit eine konstante optische Ausgangsleistung erhalten wird. Wenn der rechteckförmige Strom I, wie in Figur 5 dargestellt, dem Halbleiterlaser zugeführt wird, sinkt die optische Ausgangsleistung P langsam von ihrem Anfangswert auf den Konvergenzwert ab. Eine elektrische Schaltung, die die Veränderung in der Wellenform der optischen Ausgangsleistung darstellt, erhält eine Form, wie in den Figuren 9a und 9b dargestellt ist. D.h. in Figur 9a ist ein Widerstand R1a in Reihe mit einem Parallelkreis geschaltet, der aus einem Widerstand R2a und einer Kapazität C2a besteht, und wird mit einem Strom P1 von einer Quelle 1a für eine konstante Spannung beaufschlagt, und eine Veränderung im Strom P1 entspricht der Veränderung in der optischen Ausgangsleistung P. In Figur 9b ist ein Widerstand R1b parallel mit einem Serienstromkreis zusammengeschaltet, der aus einer Induktivität L2b und einem Widerstand R2b besteht, und ein Strom von einer Quelle 1b für einen konstanten Strom fließt in dem Widerstand R1b und entspricht der Veränderung in der optischen Ausgangsleistung P.

Die übertragungsfunktion H (juj) des Stromes P1 oder P2, der von der Spannungsquelle 1a bzw. der Stromquelle 1b zum Widerstand R1a bzw. R1b fließt, ist wie folgt:

1 +

J) = k
In Fig. 9a

I. 1

^β Ria + R2a » ^z = ^c2a * R2a und .../12

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O T **> <*■ / -12- * I J. o L*

_ c2a · ^Rla'^R2a
" ^ RIa + R2a

und in Figur 9b,
R2b

Rib + R2b ' ^X2 " R2b

T - L2b
1 " Rib + R2b .

In beiden Fällen gilt T_o > T₁

In Figur 10 zeigt die durchgezogene Linie die oben genannte Über tragungsfunktion H (jvo) und die Abszisse stellt eine Winkelgeschwindigkeit 00 dar, wobei

RIb + R2b ,

— ^und

_ JL ₌ E
"T₂ L2b

Eine solche Kennlinie kann kompensiert werden, indem ein Kreis zugefügt wird, der eine Kennlinie hat, wie sie durch die gebrochene Linie dargestellt ist. Der Kreis mit der gebrochen dargestellten Kennlinie ist in den Figuren 11a und 11b gezeigt, diese entsprechen den Figuren 9a bzw. 9b. In den Figuren 11a und 11b bezeichnen die Bezugszeichen R1c und R2c Widerstände, L2c bezeichnete eine Induktivität, R1d und R2d bezeichnen Widerstände, und C2d bezeichnet eine Kapazität.

Im folgenden wird beschrieben, wie die erfindungsgemäße Schaltung in Verbindung mit den Darstellungen der Figuren 9b und 11b ausgebildet wird. Um zu erreichen, daß die Veränderung in der optischen Ausgangsleistung P, bezogen auf den Betriebsstrom I, wie in Figur 5 dargestellt, eine Kennlinie besitzt, wie in Figur 12 dargestellt ist, ist es ausreichend, wenn der Anfangswert des Betriebsstromes I um /\ I kleiner als ein Konvergenzwert I_Q gewählt wird. Der Quotient AP/P_q aus dem Wert einer Veränderung ^P und dem Anfangswert P der optischen Ausgangsleistung in Figur 5ist wie folgt:

AP _ R2b
P₀ " Rib + R2b (5)

7 0 9848/1 180 .../13

Die Zeitkonstante T ist wie folgt:

^{T= T}l -

l -CT ⁼ Rib + R2b

Wie aus Figur 10 ersichtlich ist, ergeben sich, wenn R2b/(R1 + R2b) und ul einmal bestimmt sind, die Konstanten für den Kompensations kreis aus den folgenden Formeln

RId R2b Ap

RId + R2d RIb + R2b P_Q C2d(Rld + R2d) =

Werden ΔΡ und Tin der Übergangsfunktion der Figur 5 gemessen, so bedeutet dies, daß sich die drei Konstanten für den Kompensationskreis aus den Formeln (7) und (8) ergeben.

Hier ist es unmöglich, alle Konstanten zu bestimmen, jedoch ist dies eine natürliche Folge, die sich aus der Simulation zwischen verschiedenen physikalischen Konstanten (die optische Ausgangsleistung und der Strom) ergibt, dies steht nicht derAufgabe entgegen, die Modulationscharakteristik zu verbessern. Das Beispiel der Figur 11b zeigt insbesondere, daß eine gewünschte der drei unbekannten Schaliungskonstanten nach Belieben vom Fachmann bestimmt werden kann. Sie kann, wie gewünscht, entsprechend anderen Bedingungen für den zu verwirklichenden Schaltkreis bestimmt werden, und die anderen Konstanten können durch die Formeln (7) und (8) bestimmt werden. Ebenso können, in Figur 11a, die Konstanten für den Kompensationskreis in der gleichen Weise, wie oben beschrieben, bestimmt werden.

Die Figuren 13a und 13b zeigen spezielle Ausführungsformen für eine Kombination der Figuren 9a und 11a bzw. der Figuren 9b und 11b. Das Bezugszeichen IN bezeichnet einen Modulationssignal-Eingangsanschluß, Q bezeichnet einen Transistor, D bezeichnet ein lichtemittierendes Element, und CP bezeichnet einen Kompensationskreis, dieser ist identisch mit den Schaltungen nach Figur 11a und 11b. Die Bezugszeichen +E und -E bezeichnen Versorgungsquellen.

.../14 709848/1180

-¹^- 272341S

Die Figur 13a zeigt den Fall, daß das lichtemittierende Element D mit einer Spannungsquelle betrieben wird. Der Anfangswert des Betriebsstromes wird durch den Kompensationskreis CP, wie in Figur 12 dargestellt, gesteuert, damit erhält die optische Ausgangsleistung P eine Wellenform, die einem Modulationssignal entspricht, welches an den Eingangsanschluß IN angelegt wird. Figur 13b zeigt den Fall, daß das lichtemittierende Element mit einer Stromquelle betrieben wird, und die Modulations-Charakteristik wird wie im Fall der Figur 13a verbessert.

Figur 14 ist ein Blockschaltbild, welches eine andere Ausführungsform dieser Erfindung zeigt. Das Bezugszeichen 10 bezeichnet einen Modulationssignal-Eingangsanschluß, 11 bezeichnet einen Phasenschieber oder einen ähnlichen Phasen-Steuerkreis, 12 bezeichnet einen Verstärker, 13 bezeichnet eine Addierschaltung, 14 bezeichnet einen Integrator, 15 und 16 bezeichnen Verstärker, und 17 bezeichnet ein lichtemittierendes Element (eine Halbleiterlichtquelle oder eine lichtemittierende Vorrichtung). Ein Modulationssignal, beispielsweise ein Pulszahlmodulations-Signal oder ähnliches wird vom Eingangsanschluß 10 dem Phasensteuerkreis und dem Integrator 14 zugeführt, und ein in Phase und Amplitude gesteuertes Signal und ein integriertes und Terstärktes Signal werden in der Addierschaltung 13 addiert. Das resultierende Ausgangssignal wird durch den Verstärker 16 verstärkt und dem lichtemittierenden Element 17 zugeführt.

Die Zeitkonstante des Integrators 14 wird so ausgewählt, daß sie mit der Zeitkonstante übereinstimmt, die vom thermischen Widerstand R. und der thermischen Kapazität C. des thermischen Ersatzschaltkreises der Figur 6a abhängig ist. Eine derartige Zeitkonstante kann leicht ermittelt werden, und zwar durch Beobachtung der Ubergangsfunktion der optischen Ausgangsleistung des lichtemittierenden Elementes mit einem Oszilloskop oder einem ähnlichen Gerät.

Figur 15 zeigt eine spezielle, betriebsfähige Schaltung der in Figur 14 gezeigten Ausführungsform. Die BezujBzeichen Q1 und Q2 bezeichnen Transistoren, R11 bis R18 bezeichnen Widerstände, C11 bis C15 bezeichnen Kapazitäten, L bezeichnet eine Spule,D1 be-

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zeichnet eine Diode, und LD bezeichnet ein lichtemittierendes Element. Die Funktionen des Phasen-Steuerkreises 11 und der Verstärker 12 und 15 werden durch den Transistor Q1 ausgeführt, und die Addierschaltung 13 wird durch den Widerstand R17, die Spule L und die verbindende Verdrahtung gebildet. Der Integrator 14 wird durch den Widerstand R13 und die Kapazität C14 gebildet, und der Verstärker 16 wird mit dem Transistor Q2 gebildet.

Figur 16 zeigt beispielhaft die Funktion der Schaltung nach Figur 15. Angenommen, daß das Modulationssignal die in Figur 16 (a) dargestellte Form hat, so erhält die optische Ausgangsleistung, die erzeugt wird, wenn das lichtemittierende Element mit einem Strom betrieben wird, der proportional zur Wellenform des Modulationssignals ist, die in Figur 16 (b) gezeigte Form, wie oben in Verbindung mit den Figuren 1 und 2 beschrieben wurde. Das aus der Integration des oben genannten Modulationssignals durch den Integrator 14 resultierende Ausgangssignal hat die in Figur 16 (c) gezeigte Form. Das Ausgangssignal vom Verstärker 12, der das Ausgangssignal vom Phasen-Steuerkreis 11 verstärkt, und das Ausgangssignal vom Verstärker 15, der das Ausgangssignal vom Integrator 14 verstärkt, werden in der Addierschaltung 13 addiert, so daß ein Signal mit einer in Figur 16 (d) gezeigten Wellenform entsteht. Dieses addierte Ausgangssignal wird durch den Verstärker 16 verstärkt, so daß ein Betriebsstrom für das lichtemittierende Element 17 erzeugt wird.

Das Teilstück 18 der in Figur 16 (d) dargestellten Signal-Wellenform ist ein geneigtes Teilstück, welches den Abfall in der Wellenform der Ausgangsleistung in Figur 16 (b) kompensiert, und das Teilstück 19 ist ein Teilstück zum Ausgleich der Temperatürveränderung der Ubergangszone, um Schwankungen der optischen Ausgangsleistung zu unterdrücken. Wird das lichtemittierende Element 17 mit einem derartigen Betriebsstrom betrieben, wird eine optische Ausgangsleistung erhalten, wie sie in Figur 16 (e) dargestellt ist.

Figur 17 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Das Bezugszeichen 20 bezeichnet einen Modulatbnssignal-Eingangsanschluß, 21 bezeichnet einen Phasenschieber oder

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einen ähnlichen Phasen-Steuerkreis. 22, 25» 26, 30 und 32 bezeichnen Verstärker, 23 bezeichnet eine Addierschaltung, 24 bezeichnet einen Integrator, 27 bezeichnet ein lichtemittierendes Element, 28 bezeichnet ein lichtaufnehmendes Element (einen optischen Detektor oder einen Lichtdetektor), 29 bezeichnet einen Integrator, und 31 bezeichnet eine Subtrahierschaltung. Die vorliegende Ausführungsform besitzt gegenüber der Ausführungsform nach Figur 14 eine zusätzliche negative Rückkopplungsschleife, die zur Stabilisierung der optischen Ausgangsleistung dient. Ein Teil der optischen Ausgangsleistung des lichtemittierenden Elementes 27 ist auf das lichtaufnehmende Element 28 gerichtet, dessen Ausgangssignal wird durch den Integrator 29 integriert. Die Zeitkonstante des Integrators 29 wird so gewählt, daß sie hinreichend größer als die Zeitkonstante des Integrators 24 ist, der zur Integration des Modulationssignales dient. Das integrierte Ausgangssignal vom Integrator 29 wird im Verstärker 30 verstärkt und dann der Subtrahierschaltung 31 zugeführt, um ein Differenzsignal zwischen dem oben genannten verstärkten Eingangssignal und einem Signal vom Verstärker 25 zu erhalten, der das integrierte Ausgangssignal des Modulationssignales verstärkt. Dieses so ermittelte Differenzsignal wird im Verstärker 32 verstärkt und dann der Addierschaltung 23 zugeführt. Mit einer derartigen negativen Rückkopplungs-Schleife, wird die optische Ausgangsleistung des lichtemittierenden Elementes 27 stabilisiert. Außerdem kann die Modulations-Charakteristik verbessert werden, indem das Modulationssignal integriert wird, und indem das lichtemittierende Element 27 mit einem Signal einer solchen Wellenform betrieben wird, so daß das integrierte Ausgangssignal zum Modulationssignal addiert wird.

Figur 18 zeigt einen speziellen Schaltplan der Ausiührungsform nach Figur 17. Die Bezugszeichen R21 bis R33 bezeichnen Widerstände. C21 bis C29 bezeichnen Kapazitäten. Q21 bis Q23 bezeichnen Transistoren. DFA bezeichnet einen Differentialverstärker. LD bezeichnet ein lichtemittisrendes Element. PD zeigt eine Photodiode oder ein ähnliches liehtaufnehmendes Element. D21 bezeichnet eine Diode, und L bezeichnet eine Spule. Die Funktionen des Phasen-Steuerkreises 21 und der Verstärker 22 und 25 werden alle durch

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den Transistor Q21 ausgeführt, und der Verstärker 26 zur Versorgung des lichtemittierenden Elementes LD mit dem Betriebsstrom wird durch den Transistor Q22 gebildet. Die Addierschältung 23 wird durch die Spule L, den Widerstand R28 und die Verbindungsverdrahtung gebildet. Der Integrator 24 wird durch die Widerstände R31 und R32 und die Kapazität C28 gebildet. Die Subtrahierschaltung 31 und die Verstärker 30 und 32 werden jeweils mit dem Transistor Q23, dem Differentialverstärker DFA, den Widerständen R30 bis R32 und der Kapazität C28 gebildet. Der Integrator 29 ist aus dem Widerstand R33 und der Kapazität C29 zusammengesetzt. Das lichtaufnehmende Element PD ist in der Nähe des lichtemittierenden Elementes LD angeordnet und erhält einen Teil der optischen Ausgangsleistung von dem lichtemittierenden Element LD. Handelt es sich bei dem lichtemittierenden Element LD um einen Halbleiterlaser, so kann dieser so angeordnet sein, daß eine optische Ausgangsleistung auf der dem optischen Ausgang gegenüber liegenden Seite auf das lichtaufnehmende Element PD fällt.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wird das lichtemittierende Element mit einem Betriebsstrom betrieben, der entsprechend dem Integralwert des Modulationssignales kompensfert ist, aber es ist ebenso möglich, einen Betriebsstrom zu verwenden, dem ein Gleichstrom hinreichender Stärke überlagert ist.

Wie oben besehriebenwarde, kann eine Wellenform der optischen Ausgangsleistung proportional zu einer Wellenform des Eingangs-Modulationssignales erhalten werden, indem der Betriebsstrom für ein lichtemittierendes Element, bei dem ein Halbleiter wie z.B. ein Halbleiterlaser, eine Leuchtdiode oder ähnliches benutzt wird, so gesteuert wird, daß eine auf der thermischen Zeitkonstante des lichtemittierenden Elementes beruhende Veränderung in der optischen Ausgangsleistung kompensiert wird. Damit kann die Modulationscharakeristik bei einem System, bei dem das lichtemittierende Element direkt durch den Betriebsstrom moduliert wird, verbessert werden.

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Leerseite

Claims

PATZ\T/\NWÄLTE

DR. CLAUS REINLÄNDER DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDT

Orthstraße 12 · D-8000 München 60 · Telefon 832024/5

Telex 5212744 · Telegramme Interpatent 2 7 2 3 A 1 9

17. Mai 1977 6/296

Fujitsu Limited, Kawasaki, Japan

Betriebssystem für lichtemittierende Elemente

Priorität: 25. Mai 1976 - Japan - Aktenzeichen 60769/1976

Patentansprüche

Λ Betriebssystem für ein lichtemittierendes Halbleiterelement, dadurch gekennzeichnet , daß eineKompensatorvorrichtung vorgesehen ist, die eine durch die thermische Zeitkonstante des lichtemittierenden Elementes hervorgerufene Veränderung einer optischen Ausgangsleistung durch Steuerung einer Betriebsstrom-Wellenform kompensiert, wobei das lichtemittierende Element von der Kompensatorvorrichtung betrieben wird, so daß eine Wellenform der optischen Ausgangsleistung entsprechend einer Wellenform eines Eingangs-Modulationssignals erzeugt wird.

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2. Betriebssystem für ein lichtemittierendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß dem lichtemittierenden Element ein Betriebssstrom zugeführt wird, der einem zusammengesetzten Signal entspricht, welches aus dem Eingangs-Modulationssignal und dessen Integralwert zusammengesetzt ist.
3. Betriebssystem für ein lichtemittierendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß dem lichtemittierenden Element ein Betriebs strom zugeführt wird, der einem zusammengesetzten Signal entspricht, welches zusammengesetzt ist aus dem Eingangs-Modulationssignal und dessen Integralwert und dem ein Gleichstrom hinreichender Stärke überlagert ist.
4. Betriebssystem für ein lichtemittierendes Element nach Anspruch

1, dadurch gekennzeichnet , daß die Zeitkonstante zur Integration des Eingangs-Modulationssignals und die Zeitkonstante einer Übergangsfunktion der optischen Ausgangsleistung des lichtemittierenden Elementes den gleichen Wert haben.
5. Betriebssystem für ein lichtemittierendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein Teil der optischen Ausgangsleistung des lichtemittierenden Elementes auf ein lichtempfangendes Element gerichtet ist, daß da ssen Ausgangsleistung integriert wird und daß dem lichtemittierenden Element ein Betriebsstrom zugeführt wird, der einem Signal entsprechend der Differenz zwischen dem Integralwert und einem Integralwert des Eingangs-Modulationssignals entspricht.
6. Betriebssystem für ein lichtemittierendes Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Zeitkonstante zur Integration der Ausgangsleistung des lichtempfangenden Elementes hinreichend größer als die Zeitkonstante zur Integration des Eingangs-Modulationssignales gewählt ist.
7. Betriebssystem für ein lichtemittierendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Stromquelle als Betriebs- und Steuerquelle für das lichtemittierende Element verwendet wird, wobei die Kompensationsvorrichtung zwischen

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der Stromquelle und dem lichtemittierenden Element liegt, wobei die Kompensatorvorrichtung zusammengesetzt ist aus einem Widerstand, der in Reihe mit dem lichtemittierenden Element verbunden ist, und einem Serienstromkreis aus einem Widerstand und einer Kapazität, wobei dieser Serienstromkreis parallel zu dem Reihen-Stromkreis aus dem lichtemittierenden Element und dem Widersbnd geschaltet ist.
8. Betriebssystem für ein lichtemittierendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Spannungsquelle als Betriebsquelle für das lichtemittierende Element benutzt wird, wobei die zwischen die Spannungsquelle und das lichtemittierende Element geschaltete Kompensatorvorrichtung zusammengesetzt ist aus Parallelkreisen aus einem Widerstand und einer Induktivität und einem Widerstand, in Reihe geschaltet mit dem lichtemittierenden Element.

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