DE2847182C3 - Verfahren zur Modulationsstromregelung von Laserdioden - Google Patents

Verfahren zur Modulationsstromregelung von Laserdioden

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Modulationsstromes für Laserdioden, die als Lichtsender in Sendestufen von Signalübertragungssystecnen mit Lichtwellenleitern eingesetzt sind und denen außerdem ein Vorstrom zugeführt wird, wobei durch Umformung eines abgezweigten Teils des von der Laserdiode abgegebenen Nutzlichtes in ein elektrisches Signal sowohl der Vorstrom als auch der Modulationssirom geregelt werden, in dem das aus dem abgezwcig- &o ten Teil des von der l.aserdiode abgegebenen Niit/Iichts erzeugte elektrische Signal verstärkt und nach Unterdrückung eines Gleichanteils einer Spitzenwertgleichrichtung zur Erzeugung eines Richtsignals unterworfen wird, das Richtsignal mit einem Normsignal verglichen wird und die Regelung des Modulationssiroms in Abhängigkeit vom Spitzenwert des erzeugten Vergleiehssignals erfolgt.
Ein Verfahren dieser Art ist aus den Veröffentlichungen »Laser Automatic Level Control Circuits for Optical Communications Systems«, Proceedings of the 3rd European Conference on Optical Communications. München 1977, Seiten 208 bis 210 und R. E Epworth: »Subsystems for High Speed Optical Links«, Proc. 2nd European Conference on Optical Fibre Communication. Paris, 27. bis 30. September 1976, Seiten Ϊ77 bis 382 bekannt. In diesen Veröffentlichungen werden t-inrichtungen und Verfahren zur Regelung des Modulationsstroms und des Vorstroms für Laserdioden beschrieben, die als Lichtsender in Sendestufen von Signalübertragungssystemen mit Lichtwellenleitern eingesetzt sind. Zur Regelung wird ein Teil des von der Laserdiode abgegebenen Lichtes auf eine Monitor-Fotodiode abgezweigt, in ein elektrisches Signal umgewandelt und dieses verstärkt. Das verstärkte Signal wird in einer ersten Regelschleife nach Gleichrichtung und Vergleich mit einem Sollwert zur Regelung der Quelle für den Laserdiodenvorstrom verwendet In einer zweiten Regelschleife erfolgt eine Spitzenwerlgleichrichtung des verstärkten Signals, so daß der Pegel des erzeugten Gleichsignals den Amplituden der Lichtimpulse proportional ist. Der Pegel des Gleichsignals wird ebenfalls mit einem Sollwert verglichen und das Vergteichsergebnis zur Regelung des M.odulationsstroms verwendet. Die Genauigkeit der Regelung ist damit von der absoluten Größe des von der Monitor-Fotodiode aufgenommenen Lichtes und damit von der Genauigkeit der Lichtabzweigung abhängig.
Digitale Lichtwellenleiter-Übertragungssysteme weisen insbesondere bei hohen Übertragungsgeschwindigkeiten als optische Sender in der Regel Galüum-Aluminiumarsenid-Laserdioden auf. Derartige Laserdioden besitzen eine ein- oder mehrfach geknickte Licht-Stromkenniinie, wie sie beispielsweise in der Fig.2b dargestellt ist Der erste oder unterste Knick der Licht-Stromkennlinie tritt bei einem Strom auf, der als Schwellenstrom I1/, bezeichnet wird. Durch diese Schwelle ergibt sich sowohl eine Einschaltverzögerung bei der Lichtaussendung als auch ein Gleichrichtereffekt für den durch die Laserdiode fließenden Pulssignalstrom. Insbesondere bei der Übertragung von Signalen mit hohen Pulsfolgefrequenzen kann eine derartige Einschaltverzögerung nicht hingenommen werden, der Laserdiode wird deshalb ein Vorstrom /0 zugeführt, der in seiner Größe dem Schwellenstrom weitgehend entspricht, und in vielen Fällen geregelt wird. Im Hinblick auf die häufig benötigte konstante optische Pulsausgangsleistung ist es außerdem erforderlich, den der Laserdiode zugeführten Modulationsstrom den temperatur- und alterungsabhängigen Parametern der Laserdiode nachzuführen, also ebenfalls zu regeln.
Von Anordnungen zur Regelung des Vorstromes der Laserdiode ist es bekannt, das vom hinteren Spiegel der Laserdiode emittierte Licht zur Regelung zu verwenden. Bei unterschiedlicher Alterung der beiden Spiegel ergeben sich dann zwangsläufig Regelabweichungen.
Aus der DE-OS 27 12 293 ist bereits eine Steuerschaltung für einen Injektionslaser bekannt, die eine Vorspannvorrichtung zum Vorspannen des Lasers in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen einem vom elektrischen Modulationssignal abgeleiteten Signal und einem vom Laserlichtausgangssignal abgeleiteten Signal enthält. Durch diese Vorspannvorrichtung wird der Laser mit einem Strom vorgespannt, der kleiner als der Laserschwellenstrom ist, um die Verzögerung zwischen dem Eingang eines dem Laser zugeführten elektrischen
Signals und dem entsprechenden Laserlichtausgangssijnal möglichst klein zu machen. Es ist weiterhin aus der DE-OS 27 23 419 ein Betriebssystem für ein lichtemittierendes Halbleiterelement bekannt, das eine Kompensatorvorrichtung zur Kompensation einer durch die thermische Zeitkonstante des lichtemittierenden Elementes hervorgerufene Veränderung seiner optischen Ausgangsleistung durch Steuerung einer Betriebsstrom-Wellenform enthält Der Betriebsstrom des lichtemittierenden Elementes entspricht dabei einem zusammengesetzten Signal, das aus dem Eingangs-Modulationssignal und dessen Integralwert oder aus dem Eingangs-Modulationssignal, dessen Integralwert und einem Gleichstrom hinreichender Stärke zusammengesetzt ist Dazu kann ein Teil der optischen Ausgangsleistung abgezweigt und in einem lichtempfangenden Element zur Steuerung verwendet werden. Die Genauigkeit der Steuerung hängt damit von der Genauigkeit ab, mit der ein Teil der optischen Ausgangsleistung abgezweigt werden kann, da eine Verschlechterung der Reflexionseigenschaften des verwendeten Spiegeis sich im gleichen Maße wie eine entsprechende Veniiigerung der optischen Ausgangsleistung des lichtemittierenden Elementes auswirkt
Aus den Conference Proceedings zur 3rd European Conference on Optical Communication, München 1977 (NTG-Fachberichte Band 59), Seiten 208 bis 210 ist ebenfalls eine Einrichtung zur Regelung des Modulationsstroms und des Vorstroms einer Laserdiode bekannt. Dazu wird ein Teil des von der Laserdiode abgegebenen Lichts auf eine Monitor-Fotodiode abgezweigt, in ein elektrisches Signal umgewandelt und dieses verstärkt Das verstärkte Signal wird in einer ersten Regelschleife nach Gleichrichtung und Vergleich mit einem Sollwert zur Regelung der Quelle für den LaserdiodenvOrstrorn verwendet Ir. einer zweiten Regelschleife erfolgt eine Spitzenwertgleichrichtung des verstärkten Signals, so daß der Pegel des erzeugten Gleichsignals den Amplituden der Lichtimpulse proportional ist. Der Pegel des Gleichsignals wird ebenfalls mit einem Sollwert verglichen und das Vergleichsergebnis zur Regelung des Modulationsstroms verwendet
Die Genauigkeit der Steuerung hängt auch hier von der Genauigkeit der Lichtabzweigung ab und ist den gleichen Veränderungen unterworfen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art anzugeben, das eine erhöhte Regelgenauigkeit ergibt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß für die Regelung des Modulationsstromes die Kenntnis des Absolutwertes der Lichtleistung der Laserdiode nicht erforderlich ist. Zweckmäßige Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind in den Patentansprüchen 2 bis 5 näher beschrieben.
In der zu einer älteren Anmeldung gehörenden DE-OS 28 41433 wird ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben, bei dem wie beim Anmeldungsgegenstand dem Vorstrom zusätzlich eine periodische Schwingung mit gegenüber dem Modulationsstrom vergleichsweise niedriger Frequenz und geringer Amplitude überlagert wird, bei dem das elektrische Signal breitbandig und mit einer derart hohen unteren Grerufrequenz verstärkt wird, daß seine Einhüllende eliminiert wird, bei dem das Richtsignal beim Überschreiten emes in der Laserkennlinie oberhalb der Laserschwelle befindlichen Knicks negative Halbwellen too enthält, und bei dem das Richtsignal mit einem Normsignal verglichen und ein entsprechendes Vergleichssignal erzeugt wird. Jedoch werden beim bekannten Verfahren diese negativen Halbwellen nicht
; zur Regelung des Modulationsstroms verwendet. Dieses vorgeschlagene Verfahren enthält auch die im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 2 bis 5 angegebenen Maßnahmen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll im
ίο folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert werden, in der Zeichnung zeigt
F i g. 1 eine Schaltungsanordnung zur Regelung des Modulationsstroms und des Vorstroms einer Laserdiode,
Fig.2 die Einhüllenden der Steuersignale und der Ausgangssignale einer Laserdiode sowie deren Licht-Stromkennlinie und
Fig.3 ein Impulsdiagramm zur Schaltung nach der Fig. 1.
In der F i g. 1 ist mit LD die betrachtete Laserdiode bezeichnet, die optisch an einen Licht*cllenleiter LWL angekoppelt ist und der am Punkte a ein Steuerstrom zugeführt wird. Der in der Fig.2a dargestellte Steuerstrom setzt sich aus dem Modulationsstrom Imod, dem Vorstrom /o und dem aus einer periodischen Schwingung bestehenden Pilotsignalstrom /s zusammen. Die tatsächlichen Proportionen sind dabei in der F i g. 2a nicht richtig wiedergegeben, da die Amplitude des Pilotsignalstromes im vorliegenden Falle nur zu 1% der Amplitude des Vorstroms Iq gewählt wurde, die Frequenz des Pilotsignals liegt bei 10 kHz.
in der Fig.2b ist die Licht- Stromkennlinie der Laserdiode LD mit dem ersten und dem zweiten Knick dargestellt. Aus der Kombination der F i g. 2a und 2b ergibt sich, daß im optischen Ausgangssignal der Laserdiode, das in Fi g. 2c dargestellt ist, Verzerrungen auftreten. Besonders große Verzerrungen erfährt das übertragene Pilotsignal, da zwar die positive Halbwelle des Pilotsignals im Laserausgangssignal P5 erscheint, die negative Halbwelle des Pilotsignals aber unterdrückt wird Entsprechend den im Eingangssignal dargestellten Möglichkeiten für die Amplitude des Modulationsstromes, wobei hmad eine zu kleine und hmod eine zu große Amplitude darstellt, ergeben sich in der Fig.2c entsprechend unterschiedliche hohe Laserausgangssignale mit unterschiedlichen Verzerrungen. Es sind dabei sowohl bei den Steuersignalen als auch bei den Laserausgangssignalen nur jeweils die Einhüllenden dargestellt.
Das von der Laserdiode emittierte Licht c wird entsprechend der F i g. 1 von einer Fotodiode PD empfangen, in ein elektrisches Signal umgesetzt und df-mit aa einem Abschlußwiderstand eine Spannung erzeugt. Mit dem Abschlußwiderstand ist ein breitbandiger Wechselspannu.igsverstärker Vl verbunden, der eine relativ hohe untere Grenzfrequenz aufweist, durch die die Einhüllende des Lichtsignals eliminiert wird und dadurch nur ein der Pulsamplitude entsprechendes elektrisches Signai weiterverstärkt wird. Am Ausgang des Verstärkers Vl entsteht ein entsprechendes Ausgangssignal, das nach einer Spitzengleichnchtung durch die angeschlossene Diode ZJl und weiterer Verstärkung in einem zweiten Verstärker V2 an dem mit e bezeichneten Punkt ein Richtsignal ergibt. Dieses Richtsignal ist in der F i g. 3 ebenfalls jeweils mit e bezeichnet. Bei diesem Signal ist durch den zweiten Kondensator C2 der Gleichspannungsteil abgetrennt. Zur Eliminierung des Absolutwertes wird das erzeugte
Signal dem ersten Komparator K1 zugeführt, der das mit j bezeichnete Ausgangssignal erzeugt. Der Komparator Ki ist als Vergleicher handelsüblicher Art so eingerichtet, daß die Dauer t0 des Nullimpulses bei 0fi7t/a>s des Pilotsignals liegt, während das Tastverhältnis von to bezogen auf w5l2,r des Pilotsignals bei etwa 0,4 liegt und dabei ω, die Kreisfrequenz des Pilotsignals ist. Zusätzlich sind ein zweiter und ein dritter Komparator K 2, K 3 vorgesehen, deren Ausgänge mit Eingängen eines nachgeschalteten ersten Regelverstärkers Vr 1 verbunden sind. Der zweite Komparator K 2 besitzt einen ständig stromführenden Ausgang, der dadurch potentialmäßig immer auf der Kollektorrestspannung des verwendeten Transistors liegt. Am
Die von dem Verstärkers V2 abgegebene Richtspannung hat nach Abtrennung des Gleichanteiis durch den Kondensator C2 die mit e bezeichnete Form, die in den drei Figurenteilen entsprechend unterschiedlicher Grö-
ße des Modulationsstroms ebenfalls unterschiedlich ist Nach Begrenzung in den Komparatoren K 2 bzw. KA ist aus dem Richtsignal e das mit / bezeichnete Rechtecksignal entstanden. Durch die wired-or-Verknüpfung der Komparatorausgänge K 4 und K 5, also
durch Verknüpfung der Signale h und /, ergibt sich das Signal k, das die zur Regelung des Modulationsstromes und mit ft» bezeichneten Nullimpulse enthält.
Durch wired-or-Verknüpfung der Ausgänge der Komparatoren KX und K3, also der Signale /und f,
Ausgang" dieses Komparators KI ist der Kollektor- 15 entsteht das Signal/ dessen Nullimpulse h zur Regelung widerstand des verwendeten Transistors gesondert des Vorstroms verwendet werden, dargestellt, an dem die Referenzspannung zur Arbeits- Aus den F i g. 2 und 3 ist ersichtlich, daß die Breite der
punkteinstellung für den nachgeschalteten Regelver- Nullimpulse ft» davon abhängig ist, wie weit die stärker Vr 1 abgegriffen wird. Durch den Komparator Laserdiode über den »zweiten Knick« hinaus ausge- K 2 zur Erzeugung der Referenzspannung erfolgt eine 20 steuert wird. Die Breite dieser Impulse kann deshalb Kompensation des Laserdiodenvorstromes /0 auf zwischen dem Minimalwert 0, falls der zweite Knick Temperaturänderungen und Änderungen der Versor- nicht erreicht wird, und einem Maximalwert schwanken, gungsspannung. der beim wesentlichen Überschreiten des zweiten
Mit einem Ausgang eines Pilotsignalgenerators PG Knicks auftritt und etwa der halben Periode des ist der Eingang eines weiteren Komparators K 3 25 Pilotsignals entspricht. Die Breite der Nullimpulse ft»
verbunden. Dieser Komparator K 3 erzeugt an seinem Ausgang ein Rechtecksignal, das während der positiven Halbwelle des Pilotsignals gleich logisch Eins und während der negativen Halbwelle des Pilotsignals gleich logisch Null ist Da die Ausgänge des ersten und des dritten Komparators K i und K 3 in Form einer verdrahteten ODER-Schaltung (»wired or«) verbunden sind, ergibt sich die gewünschte Ausblendung des beim Überschreiten des zweiten Knicks der Laserkennlinie auftretenden zusätzlichen Nullimpulses. Die Komparatoren K1, K 2, K 3 und der erste Regelverstärker VrI1 dessen Ausgang mit dem Ausgang des PHoisignalgenerators PG und mit dem Eingang eines dritten Verstärkers V3 verbunden ist, stellen den wesentlichen Teil der Regelschleife zur Regelung des Laserdiodenvorstromes dar. Zusätzlich ist nun eine weitere Regelschleife zur Regelung des Modulationsstromes vorgesehen, die in ihrem Aufbau der Regelschleife für den Vorstrom entspricht Dem ersten und dem dritten
wird deshalb zur Regelung des Modulationsstromes verwendet. Bei der Auswertung des Nullimpulses ft» stört dtv zusätzlich auftretende weitere Nullimpuls to, der durch die verdrahtete ODER-Schaltung unterdrückt wird.
In der F i g. 3 sind übereinander die in den F i g. 2a und 2c dargestellten drei Möglichkeiten detailliert wiedergegeben. Die F i g. 3a gibt dabei den Fall wieder, daß der in Fig.2a mit hmOd dargestellte Modulationsstrom zu groß ist. Es zeigt sich bei k, daß die Breite des Nullimpulses ft» ebenfalls zu groß ist.
In der Fig.3b ist der Fall dargestellt, daß der Modulationsstrom entsprechend kamd'in der Fi g. 2a den Normwert aufweist. In diesem Falle ist auch die Breite der Nullimpulse ft» auf dem Sollwert.
In der Fig.3c sind die bei zu kleinem Modulationsstrom auftretenden Verhältnisse dargestellt In diesem Fall entspricht der Modulationsstrom in der Fig.2a dem Wert/lnioi* Es ist erkennbar, daß in diesem Fall der
Komparator K1 bzw. K 3 sind deshalb ein vierter bzw. 45 Nullimpuls bei Jt so klein ist, daß er verschwindet ein fünfter Komparator KA, KS parallel geschaltet Die Erläuterung der Figuren läßt erkennen, daß als
deren Ausgänge ebenfalls nach Art einer verdrahteten Übertragungssignal sowohl ein digitales Signal als auch Oder-Schaltung miteinander verbunden sind. Diese ein amplitudendiskretes analoges Signal, vorzugsweise Ausgänge führen das mit k bezeichnete und in der ein frequenz- oder pulsphasenmoduliertes Signal, F i g. 3 dargestellte Signal dem einen Eingang eines 50 übertragen werden kann. Zusammen mit der beschriezweiten Regelverstärkers Vr 2 zu, während dessen es im benen Regelung des Modulationsstromes isv eine anderen Eingang ein dem zweiten Komparator K 2 Regelung des Vorstromes der Laserdiode zweckmäßig, analoger sechster Komparator K 6 zur Erzeugung einer wie er in der F i g. 1 bereits mit beschrieben und in der Referenzspannung vorgeschaltet ist Mit dem Ausgang deutschen Patentanmeldung P 28 41 433.7 näher erläudes zweiten Regelverstärkers Vr 2 ist über einen vierten 55 tert ist Es ergibt sich ein kombiniertes Verfahren, in Verstärker VA die regelbare Stromquelle für den dem bei Aussteuerung der Laserdiode in den Sätti-Modulationsstrom der Laserdiode verbunden. gungsbereich ein zusätzliches periodisches Richtsignal
Die F i g. 3 zeigt das Impulsdiagramm zur Schaltungs- erzeugt wird, das gegenüber dem im linearen Teil der anordnung nach der F i g. 1 als Ergänzung zur F i g. 2. In Kennlinie erzeugten Richtsignal die doppelte Frequenz der F i g. 3a ist mit g das vom Pilotsignalgenerator PG 60 aufweist Dieses Richtsignal wird mit dem Pilotsignal an die Komparatoren K 3 und K 5 abgegebene logisch verknüpft und damit in zwei periodisch Pilotsignal bezeichnet Entsprechend der Beschallung hintereinandergeschachtelten Zeitabschnitten auftreder Eingänge dieser Komparatoren gibt der Kompara- tende Teile aufgeteilt Der eine dieser Teile, die mit ft> tor K 5 das durch Begrenzung in eine Rechteckwelle h bezeichneten Nullimpulse dienen zur Regelung des umgeformte Pilotsignal ab. während am Ausgang des &5 Vorstromes, während der andere dieser Teile, die mit ί» Komparators K3 das inverse Signal /abgegeben wird. bezeichneten NuHimpulse zur Regelung des Modula-Die Signale g,h und /gelten für alle drei Figurenteile 3a. tionsstromes in der beschriebenen Weise verwendet 3b, 3c werden.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Regelung des Modulationsstromes für Laserdioden, die als Lichtsender in Sendestufen von Signalübertragungssystemen mit Lichtwellenleitern eingesetzt sind und denen außerdem ein Vorstrom zugeführt wird, wobei durch Umformung eines abgezweigten Teils des von der Laserdiode abgegebenen Nutzlichtes in ein elektrisches to Signal sowohl der Vorstrom als auch der Modulationsstrom geregelt werden, in dem das aus dem abgezweigten Teil des von der Laserdiode abgegebenen Nutzlichtes erzeugte elektrische Signal verstärkt und nach Unterdrückung eines Gleichanteils einer Spitzenwertgleichrichtung zur Erzeugung eines Richtsignals unterworfen wird, das Richtsignal mit einem Normsignal verglichen wird und die Regelung des Modulationsstroms in Abhängigkeit vom Spitzenwert des erzeugten Vergleichssignals erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß dem Vorstrom (Ιο) zusätzlich eine periodische Schwingung (U) mit gegenüber dem Modulationsstroms (Imod) vergleichsweise niedriger Frequenz und geringer Amplitude überlagert wird, daß das elektrische Signal breitbandig und mit einer derartig hohen unteren Grenzfrequenz verstärkt wird, daß seine Einhüllende eliminiert wird, daß das Richtsignal (e) negative Halbwellen (too) enthält, die das Oberschreiten eines in der Laserkennlinie oberhalb der Laser- jo schwelle befindlichen Knickes anzeigen und zur Regelung des Modulaüonsstrc-.ns (lr.,nd) verwendet werden und daß das Richtsignal mit einem Normsignal (g. h) hinsichtlich der Da er dieser negativen Halbwellen (foo) verglichen und ein entsprechendes Vergleichssignal erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als periodische Schwingung eine Sinusschwingung vorgesehen ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn- w zeichnet, daß die Frequenz der Sinusschwingung etwa 10 kHz beträgt.
4. Verfahren nach Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Sinusschwingung etwa 1 % der Vorstromamplitude beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Normsignal aus der periodischen Schwingung abgeleitet wird.
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