DE2809234B2 - Halbleiterlaser-Modulatorschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterlaser-Modulatorschaltung der im Oberbegriff des Patentanspruchs I angegebenen Gattung, wie sie aus der USA-Patentschrift Nr. 38 98 583 bekannt ist.

Als optische Quelle zur Nachrichtenübertragung über optische Fasern kommen Halbleiterlaser und Leuchtdioden in Betracht. Gegenüber der Leuchtdiode hat der Halbleiterlaser seine Vorzüge unter anderem in einer hohen optischen Ausgangsleistung, einem guten Wirkungsgrad der Kopplung mit der optischen Faser und der Fähigkeit einer schnellen Modulation, weshalb er insbesondere im Hinblick auf die Nachrichtenubertra-

s gung auf der Basis digitaler Modulation untersucht worden ist.

Andererseits werden bei der Nachrichtenübertragung über optische Fasern auf der Basis analoger Modulation nicht-lineare Verzerrungen zu einem Problem, angesichts dessen man bisher die Leuchtdiode wegen ihrer besseren Linearität für zweckmäßiger gehalten hat Messungen der nicht-linearen Verzerrungen bei Leuchtdioden und Überlegungen zu deren Verminderung sind beispielsweise von J. Straus und anderen in »Linearity of

is High Power, High Radiance Ga_xAIi-»As: Ge Double Hecerostructure LED's«, IEDM, 1975, Tech. Paper, 21.3, Seiten 484 bis 486 beschrieben. Will man nun den Halbleiterlaser trotz seiner an sich geringeren Linearität, aber wegen seiner sonstigen oben erwähnten Vorzüge auch zur Nachrichtenübertragung über optische Fasern auf der Basis analoger Modulation heranziehen, so kommt es erst recht darauf an, die nicht-linearen Verzerrungen zu verringern. Hinsichtlich der Nicht-Linearität des optischen Ausgangssignals eines Halbleiterlasers ist nur ein Bericht über Messungen von Verzerrungen zweiter Ordnung von J.E Roddy, »Wideband Signal Recording on Film Using (AlGa)As CW Injection Lasers«, RCA Review, Band 36, Dezember 1975, Seiten 744 bis 758 bekannt. Eine Halbleiterlaser-Modulatorschaltung, die eine praktische Verwendung des Hdbleiterlasers in Analog-Modulationssystemen gestatten würde, ist dagegen nicht verfügbar. Auch die aus der eingangs erwähnten USA-Patentschrift Nr. 38 98 583 bekannte Modulatorschaltung befaßt sich nicht mit dem Problem der nicht-linearen Verzerrungen bei der Nachrichtenübertragung über optische Fasern auf der Basis analoger Modulation.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiterlaser-Modulatorschaiiung zu schaffen, bei der die anharmonische Verzerrung der optischen Ausgangswelle des Halbleiterlasers gering ist

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegeben.

Diese Lösung beruht auf der durch eine Spektralanalyse der optischen Ausgangsgröße des Halbleiterlasers gewonnenen Erkenntnis, daß die Größen der harmonischen Teilschwingungen der Ausgangsgröße von dem dem Halbleiterlaser aufgeprägten Grundstrom abhängen und bei einem bestimmten Wert des Grundstroms ein Minimum haben, wobei dieser Wert des Grundstroms selbst bei Änderung von Amplitude und Frequenz des Signalstroms konstant bleibt. Die Erfindung schafft somit eine Halbleiterlaser-Modulatorschaltung, bei der die optimalen Grundströme, wie sie für den individuellen Halbleiterlaser eigentümlich sind, automatisch eingestellt werden. Somit liefert die Erfindung eine Modulatorschaltung mit niedriger Verzerrung und hoher Stabilität gegenüber Tempera-

turänderungen.

Die im Patentanspruch 2 angegebene Weiterbildung der Erfindung ist insofern besonders vorteilhaft, da die zweiten Harmonischen im optischen Ausgangssignal des Halbleiterlasers gegenüber den Harmonischen höherer Ordnung besonders ausgeprägt sind.

Zusätzliche vorteilhafte Weiterbildungen sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben.
Bevorzugte AusfUhrungsbeispiele der Erfindung

werden nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Analogmodulation eines Halbleiterlasers, wobei / den Treiberstrom des Halbleiterlasers und P seine s optische Ausgangsgröße bezeichnet,

Fig.2 eine graphische Darstellung, welche den Zusammenhang zwischen der Grundwelle, der zweiten Harmonischen und der dritten Harmonischen der optischen Ausgangsgröße des Halbleiterlasers einerseits und seinem Grundstrom h andererseits zeigt,

Fig.3 eine graphische Darstellung, welche den Zusammenhang zwischen der zweiten Harmonischen der optischen Ausgangsgröße des Halbleiterlasers in F i g. 2 und seiner Modulationsfrequenz zeigt,

F i g. 4 ein Blockschaltbild, welches eine Ausführungsform der Halbleiterlaser-Modulatorschaltung gemäß der Erfindung zeugt,

Fig.5 ein Schaltbild, welches Einzelheiten der wesentlichen Elemente der Ausführungsform der F i g. 4 zeigt,

F i g. 6 eine graphische Darstellung, die den Wert der zweiten Harmonischen der optischen Ausgangsgröße eines Halbleiterlasers differenziert nach dem Grundstrom h zeigt,

F i g. 7 ein Blockschaltbild, welches eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Modulatorschaltung für einen Fall zeigt, wo der Signalstrom I, ein NTSC-Videosignal ist, und

F i g. 8 ein Blockschaltbild, welches eine Ausführungsform der Halbleiterlaser-Modulatorschaltung für einen Fall zeigt, wo die Frequenz des Signalstroms h einen Bereich durchlaufen kann.

Vor einer Detailbeschreibung der Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Modulatorschaltung werden im folgenden die gefundenen experimentellen Daten, die die Beziehung zwischen einem einem Halbleiter aufgeprägten Grundstrom h und den harmonischen Schwingungsanteilen seiner optischen Ausgangsgröße angeben, erläutert Fig. 1 zeigt die experimentelle Beziehung zwischen dem Treiberstrom /des Halbleiterlasers und seiner optischen Ausgangsgröße P. Ein Signalstrom h verläuft sinusförmig, wobei die Summe zwischen dem Grundstrom /«und dem Signalstrom I₁ natürlich größer als der Oszillation-Schwellenwert /</> des Halbleiterlasers gemacht wird. Wie dargestellt, ist die optische Ausgangsgröße P die Summe zwischen Grundkomponentenlicht Pb und Modulationskomponentenlicht P₁.

Fig.2 zeigt experimentelle Daten, welche die Beziehungen zwischen dem Grundstrom Ib einerseits und der Grundwellenkomponente und den harmonischen Komponenten der optischen Ausgangsgröße P andererseits für den Fall von Injektionslasern in vergrabener HeteroStruktur (im folgenden als »BH-Laser«—Buried heterostructure— bezeichnet) wiedergegeben. Die Frequenz /, und die Amplitude des Signalstroms /, wurden bei 2 MHz bzw. 1 mA konstant gehalten, während der Grundstrom h zwischen 20 und 25 mA variiert wurde. Der Schwellenstrom Iu, des BH-Lasers betrug 22 mA. Wie aus der Figur ersichtlich, nimmt die Verzerrung durch die zweite Harmonische in der Umgebung des Oszillations-Schwellenstroms zu, fängt mit dem Beginn der Laseroszillation an abzunehmen und nimmt ihren Minimalwert von —52 dB in der Umgebung eines Gruiidstroms Ib von 24 mA an. Zu diesem Zeitpunkt beträgt die mittlere Ausgangsleistung 0,75 mW, was einem Modulationsgrad von 40% entspricht. Wenn jedoch der Grundstrom weiter verringert wird, steigt, wie aus der Figur ersichtlich, die Verzerrung durch die zweite Harmonische wieder an. Das heißt, es existiert ein optimaler Grundstrom, der die Verzerrung durch die zweite Harmonische zu einem Minimum macht. Was die Verzerrung durch die dritte Harmonische anbelangt, so existiert ein minimaJisierender Grundstromwert ebenfalls. Die Werte dieser Verzerrung sind geringer als diejenigen der Verzerrung durch die zweite Harmonische. Ähnlich nehmen die, nicht mehr gezeigten Verzerrungen durch die vierte und die nachfolgenden Harmonischen noch kleinere Werte an. Bei dem Halbleiterlaser kann man daher davon ausgehen, daß der optimale Grundstromwert für die Verzerrung durch die zweite Harmonische der optimale Grundstromwert für die Minimalisierung der Verzerrungen durch die Harmonischen überhaupt ist

Wenn auch in der Figur nicht gezeigt wurden mit geringer werdender Modulationsamplitude des Signalstroms Is die Verzerrung durch die zweite Harmonische und die Verzerrung durch die dnVvvs Harmonische schwächer, der optimale Grundstrompunk; änderte sich jedoch nicht Unter Verwendung des gleichen BH-Lasers wurde die Verzerrung durch die zweite Harmonische unter Bedingungen gemessen, bei welchen der Grundstrom h bei 24 mA festgelegt war und die Moduiationsfrequenz des Signalstroms /, variiert wurde. Das Ergebnis ist in F i g. 3 gezeigt Aus der Figur ergibt sich, daß in diesem Frequenzbereich die nicht-lineare Verzerrung nicht von der Frequenz abhängt

Die genannten Tatsachen, daß bei einem Halbleiterlaser ein Grundstrom existiert welcher die aus den zweiten Harmonischen usw. bestehenden harmonischen Komponenten im optischen Ausgangssignal minimalisiert, und daß der Wert des Grundstroms sich nicht ändert selbst wenn die Moduiationsfrequenz und die Modulationsamplitude des Signalstroms U variiert werden, zeigen sich in ähnlicher Weise auch bei Halbleiterlasern, die keine BH-Laser sind, beispiekweise bei Kanalsubstrat-Planarinjektionslasern (CSP-Lasern).

Fig.4 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Modulatorschaltung. Diese Ausführungsform ist eine Modulatorschaltung für einen Fall, wo der Signalstrom des Halbleiterlasers sinusförmig und seine Frequenz konstant ist Gemäß der Figur wird ein Treiberstrom /, welcher die Summe aus einem Signalstrom U bei einer Moduiationsfrequenz f, und einem Grundstrom h ist von einer Treiberschaltung 6 her einem Halbleiterlaser 1 aufgeprägt Der Halbleiterlaser 1 verursacht Laseroszillation und emittiert Laserlicht Unter Verwendung geeigneter optischer Mittel wird ein Teil des Laserlichts auf die Lichten.pjängerfläche einer photoelektrischen Einrichtung 2 geringer anharmonischer Verzerrungen, beispielsweise einer Avalanche-Photodiode, zum Einfall gebracht Die Ausgangsgröße der photoelektrischen Einrichutng 2 wird über einen Lichtempfangs-Verstärker 3 in ein Bandpaßfilter (BPF) 4 gegeben, welches als Einrichtung zum Herausziehen von harmonischen Komponenten dient. Der Durchlaßbereich des BPF 4 wird auf die doppelte Frequenz der Modulitionsfrequenz f_s des Signalstroms I₅ eingestellt. Die Ausgangsgröße des BPF 4 wird einer Steuerschaltung 5 eingegeben. Hier wird der Pegel der zweiten Harmonischen festgestellt und ein Steuersignal, durch welches der von der Treiberschaltung 6 ausgegebene Grundstrom auf den optimalen Wert eingestellt wird,

entsprechend dem festgestellten Pegel erzeugt.

F i g. 5 ist ein Schaltbild, welches die Steuerschaltung 5 und die Treiberschaltung 6 der Ausführungsform der Fig.4 im einzelnen zeigt. In der Figur geben gleiche Bezugszeichen wie in Fig.4 die entsprechenden Teile wieder. Die der Steuerschaltung 5 eingegebene Ausgangsgröße des BPF 4 wird durch einen Detektor 9, der als Pegelfeststelleinrichtung dient, in einen Gleichspannungspegel umgewandelt. Das in den Gleichspannungspegel umgewandelte Signal wird in zwei Teile verzweigt. Der eine Teil wird durch eine Verzögerungsschaltung 10 mit geeigneter Verzögerungszeit T geschickt. Die Subtraktion zwischen dem verzögerten Signal und dem anderen, nicht verzögerten Teil wird in einem Subtrahierer 11 ausgeführt. Damit wird eine Schwankung ΔΜ der zweiten Harmonischen in der Zeitbreite T erhalten. In ähnlicher Weise wird eine Schwankung alt, des Grundstroms in der Zeitbreite T mit MiIfA pitipr \Z^r9/%f»Ariinctccr»KaItiincv IO ta/al^liA rlio Ausgangsgröße des Dividierers 14 eingestellt. Ein Transistor 17 und ein veränderliches Dämpfungsglied 19 im Komparator 15 dienen der Anfangseinstellung des Halbleiterlasers 1. Dies heißt genauer, daß der Halbleiterlaser anfänglich durch das variable Dämpfungsglied 19, welches mit der Basis des Transistors 17 verbunden ist, auf den Oszillationsbereich (Bereich 11 bis III in Fig.6) eingestellt wird. Danach wird das Basispotential des Transistors 17 durch Einstellen des

ίο Wertes des variablen Dämpfungsglieds 19 auf Null gehalten. Es erübrigt sich zu sagen, daß zur Erzeugung des Signalstroms U in der Treiberschaltung 6 ein dem Signalstrom Λ entsprechendes Signal auf einen Eingang 21 gegeben werden kann, wodurch das Basispotential eines Transistors 22 verändert wird.

Fig. 7 zeigt eine zweite Ausfuhrungsform der Erfindung. Diese AusfühningsfoTn ist eine Modulatorschaltung für einen Fall, wo die Wellenform des

gleiche Verzögerungszeit wie die Verzögerungsschaltung 10 hat, und eines Subtrahierers 13 erhalten. Wenn beide Schwankungen einer Division durch einen Dividierer 14 unterworfen werden, erhält man den nach dem Grundstrom differenzierten Wert der zweiten Harmonischen, ausgedrückt durch AMIdIb- Der differenzierte Wert AMIah hat die weiter unten beschriebene Bedeutung. Der differenzierte Wert AMIAIt der vorher in F i g. 2 gezeigten zweiten Harmonischen ist in F i g. 6 dargestellt. Wie aus der Figur ersichtlich, fallen die Vorzeichen der differenzierten Werte AMIAh in drei Bereiche, nämlich Bereich /(positiv), Bereich II (negativ) und Bereich III (positiv). Von diesen Bereichen entspricht der Bereich I einem Grundstrombereich, indem der Halbleiterlaser noch keine Laseroszillation ausführt Der Grundstromwert wird im Stadium der Anfangseinstellung der Schaltung niemals in diesen Bereich gelegt. Dementsprechend liegt der Grundstromwert gewöhnlich im Bereich II oder III, wobei die Grenze zwischen den beiden Bereichen dem optimalen Grundstromwert in Fig. 2 entspricht. Die Bereiche II und III entsprechen dem Minus- bzw. Plusvorzeichen der Differenziationswerte. Daraus ergibt sich, daß der Grundstromwert automatisch zu allen Zeiten auf den Optimalwert eingestellt ist, indem die Steuerung so ausgelegt wird, daß sie den Grundstrom erhöht, wenn der Differenziationswert negativ ist, und diesen erniedrigt, wenn der Differenziationswert positiv ist. Der Differenziationswert AMIAIb, der die Ausgangsgröße des Dividierers 14 darstellt, wird, siehe wiederum F i g. 5, einem Komparator 15 eingegeben. Der Komparator 15 erzeug« ein Signal, welches den durch einen Gleichstrom gebildeten Grundstrom Ib der Treiberschaltung 6 in Abhängigkeit vom Vorzeichen des Differenziationswertes steuert. Das heißt, die Steuerschaltung 5 hat die zwei Funktionen einer Pegelfeststelleinrichtung und einer Steuersignalerzeugungseinrichtung. Die Ausgangsgröße des Dividierers 14 wird auf die Basis eines den Komparator 15 mit ausmachenden Transistors 16 gegeben. Wenn diese Ausgangsgröße positiv ist sinkt das Potential an einem Verbindungspunkt 20, und damit wird das Basispotential eines in der Treiberschaltung 6 enthaltenen und der Einstellung des Grundstromwertes dienenden Transistors 18 gesenkt wodurch der Grundstrom h abnimmt Wenn andererseits die Ausgangsgröße des Dividierers 14 negativ ist steigt das Basispotential des Transistors 18, wodurch der Grundstrom 4 zunimmt Natürlich wird das Ausmaß der Zu- oder Abnahme entsprechend dem Absolutwert der sinusförmige Welle wie in der vorangehenden Ausführungsform ist Das NTSC-Videosignal weist einen Nebenträger von 3,58MHz an der Abfallflanke eines Horizontal-Synchronisierimpulses auf. Deshalb ist eine Schaltungsanordnung, welche die gleiche Funktion wie die der vorherigen Ausführungsform hat, durch Ausnützung des Nebenträgers möglich. Im einzelnen heißt dies, daß der Abfallflankenabschnitt des Horizontal-Syc shronisierimpulses, in welchem der Nebenträger vorliegt aus dem Ausgangssignal des Lichtempfänger-

jo Verstärkers 3 mit Hilfe einer Extrahierschaltung 7 herausgezogen wird. Der Antei! an zweiter Harmonischer im Nebenträger wird durch ein Bandpaßfilter 4'. welches einen Durchlaßbereich an der zweiten Harmonischen von 7,16 MHz des Nebenträgers hat herausgegriffen. Für die Extrahierschaltung ist nur erforderlich, daß sie den Horizontal-Synchronisierimpuls aus dem NTSC-Videosignal und den Abfallflankenabschnitt (hintere Schwarztreppe) des Horizontal-Synchronisierimpulses, in welchem der Nebenträger vorliegt.

herauszieht indem als Gate-Impuls ein Impuls verwendet wird, welcher durch Verzögerung des herausgezogenen Horizontal-Synchronisierimpulses gewonnen wurde. Aus diesem Grund ist die Extrahierschaltung 7 nicht besonders dargestellt Wenn im Fall der Ausnutzung des Nebenträgers die anderen Komponenten von 7,16MHz, die vom Videosignal her gemischt werden, vernachlässigbar sind, kann die oben beschriebene Extrahierschaltung 7 weggelassen werden.

Falls das NTSC-Videosignal ein Pilotsignal von

4^ MHZ aufweist kann dieses auch herangezogen werden. In diesem Fall ist der Durchlaßbereich des BPF 4 der F i g. 4 und 5 auf 9,0 MHz zu ändern.

Fig.8 zeigt eine dritte Aushlhrungsform der Erfindung. Das Merkmal dieser Ausführungsform besteht darin, daß die Modulationsfrequenz f_s der Ausgangsgröße des Halbleiterlasers einen Durchlauf machen kann. Aus diesem Grund ist das BPF 4 der F i g. 4 und 5 durch ein spannungsabgestimmtes BPF 8 ersetzt

Eine Steuerspannung Vf wird entsprechend der doppelten Frequenz der Signalfrequenz variiert Auf diese Weise wird ein Frequenzdurchlaufen mit einem Laserstrahl niedriger anharmonischer Verzerrung möglich. Natürlich muß die Steuerspannung Vf von einem Mechanismus (nicht gezeigt) her erzeugt werden, welcher die Frequenz des Signalstroms /, ändert Da kommerziell verfügbare Oszillatoren die Frequenz durch Veränderung der Spannung ändern, kann diese

Spannung geteilt und herangezogen werden.

Bei der ersten Ausführungsform kann die Frequenzcharakteristik der Verstärkerschaltung 3 mit einer BandpaBcharaktenstik versehen werden, die einen Durchlaßbereich bei der doppelten Frequenz der Signalfrequenz hat, oder mit einer Tiefpaßcharakteristik, die die Abschneidfrequenz zwischen der Signalfre-

quenz und der doppelten Frequenz davon hat, ohne daß dann das BPF 4 vorgesehen ist. Ähnlich kann bei der zweiten Ausführungsform die Frequenzcharakteristik des Verstärkers J in mit einer Bandpaßcharakteristik versehen werden, welche einen Durchlaßbereich bei einer gewünschten Frequenz hat, ohne daß dann das BPF 4 und die Extrahierschaltung 7 vorgesehen werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

1. Patentansprüche;

   U Halbleiterlaser-Modulatorschaltung mit einem Halbleiterlaser, einer Treiberschaltung, die dem Halbleiterlaser einen Signalstrom und einen Grundstrom zuführt, einer photoelektrischen Einrichtung zur Umwandlung einer optischen Ausgangsgröße des Halbleiterlasers in ein elektrisches Signal und einer Steuerschaltung, die die Größe des Grundstroms in Abhängigkeit von dem elektrischen Signal einstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (5) eine Einrichtung zum Herausgreifen einer harmonischen Komponente aus dem elektrischen Signal und eine zweite Einrichtung zur Erzeugung eines Steuersignals, das die Größe des Grundstroms derart einstellt, daß die Größe der harmonischen Komponente auf einem Minimum gehalten wird, umfaßt
2. 2. Halbleiterlaser-Modulatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die harmonische Komponente die zweite Harmonische ist
3. 3. Halbleiterlaser-Modulatorschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die photoelektrische Einrichtung (2) eine Photodiode ist
4. 4. Halbleiterlaser-Modulatorschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalstrom ein sinusförmiges Signal ist
5. 5. Halbleiterlaser-Modulatorschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalstrom ein Videosignal ist
6. 6. Halbleiterlcser-Modulatorschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Herausgreifen der zweiten Harmonischen ein Bandpaßfilter (4; 8) ist
7. 7. Halbleiterlaser-Modulatorschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bandpaßfilter (8) durch Spannung abstimmbar ist
8. 8. Halbleiterlaser-Modulatorschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalstrom ein NTSC-Videosignal ist und daß die Einrichtung zum Herausgreifen der zweiten Harmonischen eine Einrichtung zum Herausziehen eines Abfallflankenabschnitts eines Horizontal-Synchronisierimpulses und ein Bandpaßfilter (4'). welches mit der Herauszieheinrichtung verbunden ist und seinen Durchlaßbereich bei der doppelten Frequenz eines Nebenträgersignals des NTSC-Videosignals hat, umfaßt
9. 9. Halbleiterlaser-Modulatorschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalstrom ein NTSC-Videosignal mit einem Pilotsignal ist und daß die Einrichtung zum Herausgreifen der zweiten Harmonischen ein Bandpaßfilter (8') ist, welches seinen Durchlaßbereich bei der doppelten Frequenz des Pilotsignals hat