DE3038607A1

DE3038607A1 - Regelkreis fuer den erregungsstrom eines lasers

Info

Publication number: DE3038607A1
Application number: DE19803038607
Authority: DE
Inventors: Lambertus Johan Eindhoven Meuleman
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1979-10-18
Filing date: 1980-10-13
Publication date: 1981-04-30
Also published as: GB2061607A; NL7907683A; FR2468232A1; JPS6163070A; FR2468232B1; AU534437B2; BE885760A; JPS5666083A; IT1133916B; CA1149021A; US4347610A; JPS6163071A; GB2061607B; JPH0157513B2; IT8025362A0; JPH0118589B2; SE8007200L; AU6341380A; SE448506B

Description

N.V. Philips' 61ceMampeni£br=5ken_f Bfidhevea 3038607

24-6-1980 y 0 PHN" 9609

"Regelkreis für den Erregungsstrom eines Lasers".

Die Erfindung bezieht sich, auf einen Regelkreis für eine Komponente des durch eine Modulationsstromkomponente und eine Vorstromkomponente gebildeten Erregungsstromes eines Injektionslasers.

Es ist bekannt, beispielsweise aus "IEEE" Transactions on Communications, Heft Com 2.6 Nr. 7, Juli 1978, Seiten 1088-98, die ModulationsStromkomponente derart zu regeln, dass der Unterschied zwischen der maximalen und minimalen optischen Ausgangsleistung stabilisiert wird und die Vorstromkomponente derart zu regeln, dass die minimale optische Ausgangsleistung stabilisiert wird.

Aus der Niederländischen Auslegeschrift 78 03 ist es bekannt, die maximale oder die mittlere optische Ausgangsleistung durch Regelung der Modulationsstromkompo— nente zu stabilisieren. Das Stabilisieren der mittleren optischen Ausgangsleistung durch Regelung der Vorstromkomponente ist beispielsweise aus " 4-th European Conference on Optical Fiber Communication", Genua, 12-15 September 1978, Seiten k3k-k8, bekannt.

Bei Modulation des optischen Ausgangssignals des Lasers durch ein analoges Modulationssignal, beispielsweise ein Fernseh-Videosignal, muss der Laser in dem linearen Bereich der Laserkennlinie eingestellt und in diesem Bereich beibehalten werden und zwar mittels einer Regelung des Erregungsstromes.

Die bekannten Regelkreise für den Erregungsstrom haben den Nachteil, dass die nicht-lineare Verzerrung in dem modulierten optischen Ausgangssignal mit dem Alter des Lasers zunimmt.

Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, einen zum Gebrauch bei linearer Modulation des optischen Ausgangssignals des Lasers geeigneten Regelkireis zu schaffen.

Der Regelkreis für eine Komponente des durch die

1 300 18/07 5 4

24-6-1980 ψ <\ PHN 96θ9

Modulationsstromkomponente und die Vorstromkomponente gebildeten Erregungsstroms eines Injektionslasers nach der Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass Detektionsmittel vorhanden sind zum Detektieren des Intermodulationsproduktsignals mindestens zweier in der Modulationsstromkomponente vorhandener. Signale mit nahezu konstanter Amplitude in einem von dem optischen Ausgangssignal des Lasers abgeleiteten Signal, damit ein Steuersignal erzeugt wird, und dass Mittel zum Vergleichen des Steuersignals mit einem Bezugssignal zur Bildung eines Fehlersignals, und Mittel vorhanden sind zum Regeln der Stärke der genannten Komponente des Erregungsstromes des Lasers in Antwort auf das Fehlersignal.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Anzahl Laserkennlinien, Fig. 2 eine Darstellung der Modulation des optischen Ausgangssignals,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines ersten Regelkreises nach der Erfindung,

Fig. h ein Blockschaltbild eines zweiten Regelkreises nach der Erfindung,

Fig. 5 einige Wellenformen, die in dem Regel— kreis nach Fig. h auftreten,

Fig. 6 eine Darstellung der Modulation des.optischen Ausgangssignals bei Verwendung des Regelkreises nach Fig. k,

Fig. 7 eine Darstellung der nicht-linearen Verzerrung als Funktion des Vorstromes mit und ohne Regelung der Modulationsstromkomponente.

Die Laserkennlinie, die den Zusammenhang zwischen der optische Ausgangsleistung P und dem Strom I durch den Laser angibt, ist von der Umgebungstemperatur und von dem Alter des Lasers abhängig. In Fig. 1 sind drei Kennlinien K1, K2 und K3 dargestellt mit von K1 nach K2 und nach K3 zunehmender Temperatur und/oder zunehmendem Alter des Lasers. Der Arbeitsbereich muss derart eingestellt sein,

130018/0754

2^-6-1980 Y (j PHN 9609

dass die elektrooptische Übertragung bestimmten Anforderungen in Bezug auf die optische Leistung entspricht. Für die Kennlinie Kl bedeutet dies beispielsweise eine Einstellung des Stromes in dem Bereich, zwischen 11 1 und 121 und für die Kennlinie K3 in dem Bereich zwischen 113 und 123 für eine optische Leistung in dem Bereich zwischen P1 und P2. Eine Anpassung des Arbeitsbereiches bei Änderung der Kennlinie ist deswegen notwendig.

Im wesentlichen ändert sich der ¥ert des Schwel— lenstromes Ith, der Neigung der Kennlinie in dem linearen Bereich (l) und der Krümmung in dem Übergangsbereich (s) der den Übergang zwischen dem Bereich der spontanen Emission und dem linearen Bereich bildet.

Bei Modulation des Lasers durch ein analoges Modulationssignal tritt nicht-lineare Verzerrung in dem Bereich auf, wo die Laserkennlinie nicht-linear ist. Eine Änderung der Kennlinie, wobei das Knie bei dem Schwellenstrom Ith weniger schraf wird, verursacht eine Zunahme der nicht-linearen Verzerrung.

In Fig. 2 ist die Modulation des Lasers durch ein Fernseh—Videosignal einschliesslich des Zeilensynchronsignals und des Tonträgers dargestellt. Das Videosignal Iv ist dabei dem Vorstrom Ib überlagert. Die Einstellung des Vorstromes ist derart, dass, wenn der Schwellenstrom Ith wegen der Temperatur oder durch das Altern des Lasers zunimmt, die Spitzen der Zeilensynchronimpulse den Laser in den gekrümmten Teil S der Kennlinie bringen. Dadurch entsteht nicht-lineare Verzerrung des Videosignals.

Nach einer bekannten Methode kann bei dieser Modulation die mittlere optische Ausgangsleistung durch Regelung des Vorstromes Ib stabilisiert werden. Der Vorstrom wird dann an die Zunahme des Schwellenstromes Ith angepasst. Der Ubergangsbereich S nimmt jedoch im Umfang bei Zunahme des Schwellenstromes zu, wodurch auch die nicht-lineare Verzerrung zunimmt.

Um ständig gewisse Anforderungen in bezug auf die Linearität der Modulation der optischen Ausgangsleistung erfüllen zu können, wird das Intermodulations-

130018/0754

24-6-1980 yg PHN 9609

produktsignal aus zwei in dem Modulationssignal vorhandenen Signalen mit nahezu konstanter Amplitude detektiert und wird demselben ein Regelsignal entnommen, mit dem die Einstellung des Lasers angepasst wird und zwar derart, dass die nicht-lineare Verzerrung innerhalb der erlaubten Grenzen bleibt.

Die Anpassung der Einstellung des Lasers kann durch Regelung des Vorstromes (Fig. 3) oder durch Regelung des Modulationsstromes (Fig. h) erfolgen. Die Regelung der anderen Stromkomponente kann jeweils auf bekannte Weise erfolgen.

Der Regelkreis nach Fig. 3 bezieht sich auf die Modulation eines Injektionslasers 1 durch ein analoges Videosignal Iv einschliesslich des Zeilensynchronsignals und des Tonträgers (Fig. 2), das von der geregelten Stromquelle 2 geliefert wird. Der Vorstrom Ib wird von der geregelten Stromquelle 3 geliefert. Mit dem Laser sind eine optische Faser K und ein lichtempfindlicher Detektor 5 verbunden.

Im Fälle einer Übertragung eines Fernsehsignals können das Intermodulationsproduktsignal des Zeilensynchronsignals (Frequenz fs ^ 15,7 KHz) und der Tonträger (Frequenz fhs = 4,5 MHz) in dem optischen Ausgangssignal detektiert werden. Wegen der Nicht-Linearität in dem Übergangsbereich S wird der Tontr ä;ger durch das Zeilensynchronsignal moduliert, wobei Signale entstehen auf den Nebenbandfrequenzen fhs - fs und fhs + fs.

Die AC-Komponente des Ausgangssignals des lichtempfindlichen Detektors 5 wird durch den HF-Verstärker 6 verstärkt und danach dem Bandfilter ,7 zugeführt, das auf die Frequenz fhs - fs abgestimmt ist. Das Ausgangssignal wird durch den Gleichrichter 8 gleichgerichtet.

Das Ausgangssignal des Gleichrichters 8 wird dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 9 zvlgeführt. Dem nicht-invertierenden Eingang desselben wird eine Bezugsspannung Vrefi zugeführt, die ein Mass für die erlaubte nicht-lineare Verzerrung ist. Aus dem Unterschied zwischen dem Ausgangssignal des Gleichrichters 8 und der

130018/0754

24-6-1980 Vf PHN 9609

Bezugsspannung Vref 1 entsteht an dem Ausgang des Verstärkers 9 ein Fehlersignal. Dieses Fehlersignal wird dazu benutzt, die geregelte Stromquelle 3 derart zu steuern, dass der Vorstrom Ib an die erlaubte nicht-lineare Verzerrung angepasst wird.

Änderungen in der Neigung der Laserkennlinie können durch Anpassung des Modulationsstromes Xv ausgeglichen werden. Als Kriterium dazu kann die Amplitude des Tonträgers in dem optischen Ausgangssignal des Lasers benutzt werden. Dazu wird das Ausgangssignal des HF—Verstärkers 6 dem Bandfilter 10 zugeführt, das auf die Frequenz fhs abgestimmt ist. Das Ausgangssignal wird durch den Gleichrichter 11 gleichgerichtet.

Das Ausgangssignal des Gleichrichters 11 wird dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 12 zugeführt. Dem nicht-invertierenden Eingang desselben wird die Bezugsspannung Vref 2 zugeführt, die ein Mass für den gewünschten Wert der Amplitude des Tonträgers in dem optischen Ausgangssignal ist. Aus dem Unterschied zwischen dem Ausgangssignal des Gleichrichters 11 und der Bezugs- . spannung Vref2 entsteht an dem Ausgang des Verstärkers 12 ein Fehlersignal. Dieses Fehlersignal wird dazu benutzt, die geregelte Stromquelle 2 derart zu steuern, dass die Amplitude des Tonträgers in dem optischen Ausgangssignal den gewünschten Wert hat.

Die Intermodulation des Zeilensynchronsignals mit dem Tonträger erfolgt während der Synchronimpulse und beeinträchtigt die Bildqualität nicht. Wenn ausser dem Basisbandvideosignal eine Anzahl auf unterschiedlichen Trägern FM-modulierte Fernsehsignale übertragen werden, kann es erwünscht sein, dass die Zeilensynchronsignale derselben und das Zeilensynchronsignal des Basisbandvideosignals isochron sind, um eine Beeinflussung der Bildqualität der anderen Fernsehsignale durch das Intermodulationsproduktsignal zu vermeiden.

In dem Fall, wo das Modulationssignal des Lasers aus einer Anzahl frequenz gestapelter, in der Frequenz oder in der Amplitude durch Fernsehsignale modulierter

130018/0754

24-6-1980 /Λ'· PHN 9609

Trägerwellen bestehen, ist eine gute Linearität der Modulation von Bedeutung. In diesem Fall ist es möglich, niederfrequente Hilfssignale dem Modulati onssignal hinzuzufügen und die Intermodulation derselben zu messen.

Ein Regelkreis, der niederfrequente Hilfssignale benutzt, ist in Fig. k dargestellt. In diesem Fall wird der Modulationsstrom des Lasers 1 abhängig von der auftretenden nicht-linearen Verzerrung geregelt.

Als Hilfssignale sind zwei binäre Signale ei(t) und e2(t) (Fig. 5) mit einer i&rundfrequenz von beispielsweise 1 und 2 KHz wirksam. Diese Signale werden vom Signalgenerator 13 erzeugt. In der Signaladdieranordnung Ik werden diese Signale zu dem dem Signaleingang I5 zugeführten Informationssignal addiert.

Das Informationssignal und die Hilfssignale durchlaufen den geregelten Verstärker 16 mit einem Stromquellenausgang, der den Modulationsstrom Iv liefert. In der Signaladdierschaltung I7 wird der Vorstrom Ib zu dem Modulationsstrom Iv addiert und die Summe der Ströme wird dem Laser zugeführt.

Die Summe der Signale ei(t) und e2(t) ist in

Fig. 5 dargestellt. In Fig. 6 ist dargestellt, wie das optische Ausgangssignal des Lasers von dem Modulationsstrom Iv moduliert wird, der aus der Summe des Informationssignals und der Signale el(t) und e2(t) besteht. Es ist ersichtlich, dass in dem gekrümmten Teil S der Laserkennlinie eine asymmetrische Verzerrung der Umhüllenden des optischen Ausgangssignals entsteht, verglichen mit dem Teil der Umhüllenden, der in dem linearen Bereich L liegt.

In dem Teil S der Laserkennlinie entsteht Intermodulation zwischen den Hilfssignalen ei(t) und e2(t). Ein wichtiger Teil des Intermodulationssignals besteht aus einer Komponente,, die dem Produkt aus den Signalen ei(t) und e2(t) proportional ist (Fig. 5)· Die Intermodulationskomponente kann dazu benutzt werden, die Verstärkung des Verstärkers 16 derart zu regeln, dass die nicht-lineare Verzerrung in dem modulierten optischen Ausgangssignal innerhalb gewisser Werte bleibt.

130018/0754

24-6-1980 ^Q

Das Ausgangssignal des licht-empfindlichen Detektors 5 wird dem Bandfilter 18 zugeführt, das auf 1 KHz abgestimmt ist. In einem Produktmodulator 1° wird das Ausgangssignal des Filters 18 mit dem Signal e3(t) = ei(t) . e2(t) multipliziert. Dadurch entsteht an dem Ausgang des Modulators 19 eine DC-Komponente, deren Stärke zu der Stärke der Komponente: ei(t) . e2(t) in dem optischen Ausgangssignal proportional ist.

Das Ausgangssignal des Modulators 19 wird dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 20 zugeführt. Dem nicht invertierenden Eingang desselben wird die Bezugsspannung Vref3 zugeführt, die ein Mass für die zulässige nicht-lineare Verzerrung ist. Der Operationsverstärker 20 bildet aus dem Unterschied zwischen dem Ausgangssignal des Modulators 19 und der Bezugsspannung Vref 3 ein Fehlersignal. Mit diesem Fehlersignal wird die Verstärkung des Verstärkers 16 derart geregelt, dass die nicht-lineare Verzerrung in dem optischen Ausgangssignal innerhalb gewisser Werte bleibt.

Zur Erleichterung der Detektion der Intermodulationskomponente el(t) . e2(t) in dem Ausgangssignal des lichtempfindlichen Detektors 5 empfiehlt es sich, die Komponenten ei(t) und e2(t) in dem Ausgangssignal mit Hilfe der Signale el(t) und e2(t), die von dem Signalgenerator 13 abgeleitet werden, auszugleichen.

Der Effekt der Regelung des Modulationsstromes abhängig von der nicht-linearen Verzerrung nach Fig. 3 ist in Fig. 7 als Funktion des Verhältnisses des Vorstromes Ib zu dem Schwellenstrom Ith dargestellt. Die Figur zeigt, dass bei Verringerung des Vorstromes gegenüber dem Schwellenstrom durch den Einfluss des Regelkreises die zweite harmonische Verzerrung niedrig gehalten wird (Kurve C), sei es auf Kosten gewisser Signalleistung (Kurve A). Ohne Regelkreis hätte die Verzerrung stark zugenommen (Kurve B).

Der Vorstrom Ib des Lasers 1 kann auf bekannte Weise derart geregelt werden, dass die mittlere optische Ausgangsleistung konstant bleibt. Der Vorstrom Ib folgt dann der Zunahme des Schwellenstromes Ith mit zunehmender

130018/0754

24-6-1980 X"?. PHN 9609

Temperatur und/oder mit zunehmender Alter des Lasers. Dazu wird das Ausgangssignal des lichtempfindlichen Detektors 5 mittels des Tiefpassfilter 21 dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 22 mit einem Stromquellenausgang zugeführt. Dem nicht-invertierenden Eingang desselben wird eine Bezugsspannung Vvefk zugeführt, die ein Mass für die gewünschte mittlere optische Leistung ist. Aus dem Differenzsignal leitet der Verstärker 22 den Vorstrom Ib ab, der in der Signaladdierschaltung 17 zu dem Modulationsstrom Iv addiert wird.

Andere Signale als die Signale ei(t) und e2(t), die in Fig. 5 dargestellt sind, können als Hilfssignale in einem Regelkreis benutzt werden, der auf dem Messen der Intermodulation der Hilfssignale basiert. Im Grunde können sinusförmige Hilfssignale verwendet werden. Das Erzeugen binärer Signale in integrierten Schaltungen ist jedoch einfacher zu verwirklichen als die Erzeugung sinusförmiger Signale.

Erwünschte Eigenschaften der Hilfssignale ei(t) und e2(t) sind, dass:

_/(ei(t) + e2(t) ) . ei(t) . e2(t) dt = 0 (i) J el(t) . e2(t) dt = O (2)

_/(ei(t) . e2(t) ) . ei(t) . e2(t) dt Φ Ο (3) wobei die Integrale sich über eine ganze Anzahl Perioden vom einen und anderen Hilfssignal erstrecken. Die Eigenschaft (i) vereinfacht die Detektion der Intermodulationskomponente ei(t) . e2(t). Die Eigenschaft (2) verhindert, dass der Produktmodulator 19 infolge von Trägerlecken eine DC-Komponente liefern kann. Die Eigenschaft (3) macht Detektion des Intermodulationssignals durch Korrelation in einem Produktmodulator (19) möglich.

130018/0754

Claims

24-6-1980 ft PHN 9609

PATENTANSPRÜCHE:

ΛJ Regelkreis für eine Komponente des durch, eine Modulationsstromkomponente und eine Vorstromkomponente gebildeten Erregungsstromes eines Injektionslasers, dadurch gekennzeichnet, dass Detektionsmittel (5-8) vorhanden sind zum Detektieren des Intermodulationsproduktsignals mindestens zweier in der Modulationsstromkomponente vorhandener Signale mit nahezu konstanter Amplitude in einem von dem optischen Ausgangssignal des Lasers abgeleiteten Signal um ein Steuersignal zu erzeugen, und dass Mittel (9)

¹^ zum Vergleichen des Steuersignals mit einem Bezugssignal zum Bilden eines Fehlersignals, und Mittel (3) vorhanden sind zum Regeln der Stärke der genannten Komponente der Erregungsströmes des Lasers in Antwort auf das Fehlersignal .
2. Regelkreis nach Anspruch 1, wobei die Modulationsstromkomponente ein Fernseh—Videosignal mit einem Zeilensynchronsignal und einem Tonträger enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsmittel (5-8) zum Detektieren des Intermodulationsproduktsignals des Zeilensyn-

2" chronsignals und des Tonträgers angepasst sind.
3. Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (13-1*0 vorhanden sind zum Einfügen zweier binärer Hilfssignale in die Modulationsstromkomponente. k. Regelkreis nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsmittel Mittel (19) enthalten zum Multiplizieren des von dem optischen Ausgangssignal abgeleiteten Signals mit dem Produkt der binären Hilfssignale.

11001-8/07 54