DE3207741A1

DE3207741A1 - Verfahren zum regeln des ausgangssignals eines halbleiterlasers und schaltungsanordnung dazu

Info

Publication number: DE3207741A1
Application number: DE19823207741
Authority: DE
Inventors: Wolfang Dipl.-Ing. 7141 Oberstenfeld Bambach; Ernst Ing.(grad.) 7157 Murrhardt Kremers; Horst Dipl.-Ing. Wernz; Theo Dipl.-Ing. 7150 Backnang Wiesmann
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1982-03-04
Filing date: 1982-03-04
Publication date: 1984-02-02
Also published as: DE3207741C2

Abstract

Vom optischen Ausgangssignal eines Halbleiterlasers (FD) wird eine elektrische Größe abgeleitet und deren Wechselanteil ohne vorherige Verstärkung durch quadratische Mittelwertbildung (DD) in ein Gleichspannungssignal umgesetzt. Dieses Gleichspannungssignal wird mit einer Referenzgröße verglichen (OV2). Das aus dem Vergleich hervorgehende Signal wird dem Regelverstärker (VR) zur Regelung des Modulationsstromes zugeleitet.

Description

Verfahren zum Regeln des Ausgangssignals eines Halbleiterlasers und Schaltungsanordnung dazu Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln des Ausgangssignals eines Halbleiterlasers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Schaltungsanordnung zum Durchführen dieses Verfahrens.
Eine nach einem solchen Verfahren arbeitende Schaltungsanordnung ist bekannt aus "Wissenschaftliche Berichte, AEG-Telefunken 53 (1980), 1 - 2, Seite 57".
Halbleiterlaser werden heute vorwiegend für die digitale übertragung von Nachrichten über Lichtleitfasern eingesetzt. Bei dieser Modulation macht sich vor allem bei hohen Bitraten störend bemerkbar, daß der zu sendende Lichtimpuls erst nach einer gewissen Einschaltverzögerung abgegeben wird.
Diese Verzögerung kann verringert werden, indem die Laserdiode mit einem Vorstrom 1V betrieben wird, der gleich dem Schwellstrom IS ist (vgl. dazu die Zeichnungen gemäß Fig.
1a u. Fig. 1b - Lichtleistung P in Abhängigkeit a s Stromes I und der Zeit).
Durch Temperatur- und Alterungseinflüsse ändert sich der Wert des Schwellstroms Is, Die Bedingung IV I, ins gilt jedoch nach wie vor. In der Sendeschaltung müssen deshalb Einrichtungen vorgesehen werden, die Änderungen des Schwellstroms erkennen und den eingestellten Vorstrom IV entsprechend nachführen.
Ferner ist nicht garantiert, daß die Steigung m = #P/#F im steilen Teil der Lichtleistungs-Kennlinie (Fig. 1) unter allen Betriebsbedingungen konstant ist.
Sollen gleichbleibende Systemdaten eingehalten werden - das bedeutet u.a. konstante Sendeleistung - so muß auch der Modulationsstrom IM des Lasers so geregelt werden, daß Lichtimpulse konstanter Spitzenleistung P=P +P P M gesendet werden.
Die Erfüllung der Bedingungen: 1V F ins und P = PS + PM kann direkt überwacht werden durch Messen des Minimal- und Maximalwerts der optischen Ausgangsleistung mit Spitzenwertgleichrichtern, wie das in "Wissenschaftliche Berichte, AEG-Telefunken 53 (1980), 1 - 2, Seite 57" beschrieben ist.
Dazu sind Signalamplituden von einigen 100 mVss erforderlich, die nur nach hochfrequenter Verstärkung erreicht werden. Dieses Verfahren ist deshalb schaltungstechnisch aufwendig und der Leistungsverbrauch ist relativ hoch.
Hochfrequenzverstärker können vermieden werden durch Verwendung eines Pilottons, beispielsweise bekannt aus der Veröffentlichung "Electronic Letters 14 (1978), No. 24, Seiten 775 und 776". Damit wird zwar der Leistungsbedarf reduziert, nicht jedoch der Umfang der Schaltung.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, das geeignet ist, einen einfach aufgebauten und zuverlässig arbeitenden Regelkreis zu realisieren.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das kennzeichnende Merkmal des Patentanspruchs 1 gelöst.
Patentanspruch 2 bezeichnet eine Schaltungsanordnung zum Durchführen dieses Verfahrens und die Patentansprüche 3 bis 7 geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung gemäß Patentanspruch 2 wieder.
Durch unterhalb ihrer Diodenschs it kleinen Signalamplituden betriebene quadratisch gleichrichtende Dioden erübrigt sich eine Vorverstärkung mit den daraus resultierenden Signalverfälschungen. Impulse kurzer Dauer werden bei quadratischer Mittelwertbildung unverfälscht ausgewertet.
Als Diode eignet sich dazu besonders eine Zero-Bias- oder eine Low-Barrier-Schottky-Diode. Gegen die bei kleinen Signalamplituden auftretenden Driftprobleme ist es zweckmässig, die Diode mit einer Einrichtung zur Temperaturstabilisierung zu koppeln oder eine zweite Diode mit einer dieser beaufschlagten Referenzsignalquelle vorzusehen, die derart mit dem zweiten Eingang des Vergleichsverstärkers verbunden ist, daß die Temperaturdrift der Diode kompensiert wird.
Die Diode kann mit einer Hilfsstromquelle verbunden sein, die ihr einen derartigen Strom einprägt, daß ihre Empfindlichkeit maximal ist. Gleiches gilt für die zweite Diode.
Anhand der Figuren 2 bis 6 wird die Erfindung nun näher erläutert. Es zeigen: Fig. 2 eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren konzipierte Schaltungsanordnung, Fig. 3 ein Prinzipschaltbild mit Hilfsstromeinprägung, Fig. 4 ein Prinzipschaltbild mit Kompensationsdiode, Fig. 5 ein Prinzipschaltbild mit Synchronaussteuerung der Kompensationsdiode und Vorströmung Fig. 6 ein ausführliches Schaltbild mit Vorstromeinprägung beider Dioden.
In Fig. 2 liegt am Eingang 1 des Vorverstärkers VV das zu übertragende Datensignal an. An den Ausgang dieses Vorverstärkers VV schließt sich der Regelverstärker VR an, der das -erstärkte Datensignal an die Laserdiode LD weiterleitet.
Mittels Lichtwellenleiter LWL wird das Datensignal auf optischem Wege übertragen. Zur Regelung wird ein Teil der von der Laserdiode LD abgestrahlten optischen Lichtleistung mittels einer Photodiode FD ausgekoppelt, beispielsweise an der Rückseite der Laserdiode.
Das elektrische Ausgangssignal der Photodiode FD wird zur Regelung des Vorstroms IV in der Vorstromregelschleife VSR über den Operationsverstärker OV1 mit einer Referenzspannung Ur1 verglichen und so geregelt, daß der Mittelwert der optischen Sendeleistung P konstant bleibt.
Der Wechselanteil des Ausgangssignals der Photodiode FD wird über den Kondensator C1 ausgekoppelt. Es besteht daher keine Abhängigkeit mehr von dem durch die Fotodiode FD fließenden Gleichstrom und damit auch keine Abhängigkeit mehr vom Mittelwert P der optischen Sendeleistung, sondern nur noch von den Amplituden M des übertragenen Datensignals. Deshalb kann der ausgekoppelte Wechselanteil als Kriterium zur Regelung des Modulationsstroms IM dienen. Ohne Zwischenverstärkung wird der Wchselanteil an eine unterhalb ihrer Diodenschwelle quadratisch gleichrichtende Diode DD weitergeleitet. Die Ausgangsspannung der Diode DD ist somit zum Quadrat der optischen Lichtleistung proportional. Als Diode DD kann eine herkömmliche unterhalb der Diodenschwelle arbeitende Silizium-Diode benutzt werden. Besser eignen sich Low-Barrier- oder Zero-Bias-Schottky-Dioden. über einen Entkopplungswiderstand RE2 wird der quadratisch gleichgerichtete Wechselanteil dem invertierenden Eingang eines Vergleichsverstärkers - Operationsverstärker OV2 - zugeführt.
Der nichtinvertierende Eingang von OV2 ist mit der Referenzspannung Ur2 beaufschlagt. Das Ausgangssignal von OV2 wird zur Schließung der Modulationsstromregelschleife an den Steuereingang des Regelverstärkers VR gelegt.
Fig. 3 zeigt im wesentlichen die gleiche Schaltungsanordnung wie Fig. 2. Nur ist jetzt der Diode DD neben dem Wechselanteil des Ausgangssignals der Photodiode FD ein Hilfsstrom IH1 zugeführt. Durch die Hilfsstromunterlagerung ist die Empfindlichkeit der Diode DD optimal einstellbar. Für Schottky-Dioden liegt der Hilfsstrom IH1 in der Größenordnung von einigen pA.
Zur Verminderung der Temperaturdrift der Detektordiode DD wird diese mit einer Temperaturstabilisierungseinrichtung gekoppelt (nicht zeichnerisch dargestellt).
Die Temperaturdrift der Detektordiode DD kann auch gemäß Fig. 4 eliminiert werden durch eine zweite Diode - Kompensationsdiode DR -, die den gleichen Temperaturgang wie die Detektordiode DD aufweist. Diese zweite Diode DR ist über einen Entkopplungswiderstand RE3 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OV2 verbunden. Die zweite Diode DR ist mit einer Referenzsignalstromquelle RQ verbunden, die so eingestellt ist, daß die Temperaturdrift der Detektordiode DD kompensiert wird.
Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 5 arbeiten beide Dioden DD und DR durch Einprägung von Hilfsströmen IH1 und IH2 mit maximaler Empfindlichkeit. Die Temperaturdrift der Detektordiode DD wird eliminiert durch Anwendung einer Differenzanordnung, bestehend aus den Dioden DD und DR, unter der Voraussetzung, daß beide Dioden gleichen Temperaturgang haben. Die Hilfsströme IH1 und IH2 werden dann ebenfalls gleich groß gewählt. Wird die Kompensationsdiode DR am Eingang 2 über den Koppelkondensator C2 mit dem Ansteuersignal für den Regelverstärker VR oder einem sonstigen vom zu übertragenden Datensignal abgeleiteten Signal, z.B. Datentaktsignal, beaufschlagt (Synchronregelung), so werden auch Fehler durch schwankende statistische Eigenschaften des Sendesignals vermieden. Solche Schwankungen treten insbesondere auf, wenn kein Scrambler für die Aufbereitung des Datensignals verwendet wird und die Dichte der logischen '1'-Impulse deshalb nicht definiert ist oder wenn z.B. kein Datensignal anliegt.
Fig. 6 gibt ein ausführliches Schaltbild der Regeleinrichtung, basierend auf den zuvor dargestellten Ausführungsbeispielen, wieder. Beiden Dioden sind Hilfsströme IH1 und IH2 eingeprägt. Die Differenzspannung UDD - UDR zwischen den beiden Dioden als Kriterium für die Einstellung des Modulationssstromes IM der Laserdiode LD muß driftarm im Operationsverstärker OV2 verstärkt werden. Zur Anpassung des an der Fotodiode FD abgenommenen Signals an das vom zu übertragenden Datensignal - zugeführt am Eingang 2 - abgeleistete Synchronsignal sind die Dämpfungswiderstände RA und RB vorgesehen. Am Ausgang des Operationsverstärkers OV2 steht das Signal zur Modulationsstromregelung und am Ausgang von OV1 das Signal zur Vorstromregelung zur Verfügung.
Die beiden Dioden DD und DR können auch durch andere Bauelemente mit nichtlinearer Kennlinie oder durch Thermistoren ersetzt werden. Die Schaltung ist an diese Bauelemente sinngemäß anzupassen.

Claims

Patentansprüche 0 Verfahren zum Regeln des Ausgangssignals eines Halbleiterlasers, wobei der Modulationsstrom des Halbleiterlasers mit Hilfe eines Signals geregelt wird, das durch den Vergleich zwischen einer Referenzgröße und dem Wechselanteil einer vom optischen Ausgangs signal des Halbleiterlasers abgeleiteten elektrischen Größe gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Vergleich direkt ohne zusätzliche Verstärkung der Wechselanteil durch quadratische Mittelwertbildung in ein Gleichspannungssignal umgesetzt wird.
2. Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei dem Halbleiterlaser ein Regelverstärker vorgeschaltet ist, den in seiner Verstärkung das Ausgangssignal eines Vergleichsverstärkers regelt und wobei dem Vergleichsverstärker an seinem einen Eingang ein Referenzsignal und an seinem anderen Eingang über einen Gleichrichter das Ausgangssignal eines opto-elektrischen Wandlers, der das optische Signal des Halbleiterlasers in ein elektrisches Signal umwandelt, zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter aus einer unterhalb ihrer Diodenschwelle näherungsweise quadratisch gleichrichtenden Diode (DD) besteht.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (DD) eine Zero-Bias- oder Low-Barrier Schottky-Diode ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (DD) mit einer Einrichtung zur Temperaturstabilisierung gekoppelt ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (DD) mit einer Hilfsstromquelle (IH1) verbunden ist, die ihr einen derartigen Strom einprägt, daß ihre Empfindlichkeit maximal ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Diode (DR) mit einer dieser beaufschlagten Referenzsignalquelle (RQ) derart mit dem zweiten Eingang des Vergleichsverstärkers (VV) verbunden ist, daß die Temperaturdrift der Diode (DD) kompen-, siert wird.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Diode (DR) ebenfalls mit einer Hilfsstromquelle (IH2) verbunden ist, die ihr einen derartigen Strom einprägt, daß ihre Empfindlichkeit maximal ist,