DE3312044C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln des optischen Ausgangssignals eines Halbleiterlasers gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche Verfahren sind bekannt, beispielsweise aus dem Aufsatz "Laser Level Control for High Bit Rate Optical Fibre Systems" von D.W. Smith et al. in: Proceedings of IEEE Intern. Symposium von Circuits and Systems, 28.-30.4.80, Houston, Texas, pp. 926-930.

Aus der Literatur sind verschiedene Schaltungen zur Regelung der Ausgangsleistung eines optischen Senders bekanntgeworden, wobei als Regelkriterien der hochfrequente Signalhub (z. B. J. Gruber et al.: "Electronic circuits for high bit rate digital fiber optic communication systems":IEEE Trans. Communications, Vol. COM-26, 1978, No. 7, pp. 1088-1098) oder die absolute Amplitude eines überlagerten Pilottones (z. B. D.W. Smith:"Laser level-control circuit for high-bit-rate systems using a slope detector": Electronics Letters, Vol. 14, 1978, No. 24, pp. 775-776) benutzt werden. Zum Detektieren des Hochfrequenzsignalhubes sind schnelle Regelfotodioden und Hochfrequenzverstärker erforderlich, welche letzere eine hohe Verlustleistung aufweisen.

In der deutschen Offenlegungsschrift 30 38 607 ist ein Regelkreis für den Erregungsstrom eines Lasers beschrieben, bei dem das Intermodulationsprodukt der überlagerten Pilotsignale als Regelkriterium verwendet wird.

Bei Verfahren, welche die niederfrequenten, durch Überlagerung des Pilottons hervorgerufenen Schwankungen des Ausgangssignals detektieren, gibt es auf der Empfangsseite Probleme, wenn wie in den meisten Fällen sogenannte hochohmige Vorverstärker eingesetzt werden. Solche Verstärker sind sehr rauscharm, weisen aber ein Tiefpaßverhalten mit niedriger oberer Grenzfrequenz auf und sind dadurch sehr empfindlich gegen niederfrequente Aussteuerung. Diese führt aufgrund der hohen Verstärkung bei tiefen Frequenzen schon bei kleinen niederfrequenten Eingangspegeln zu Übersteuerungen.

Durch den Aufsatz "560 Mbit/s experimental fibre optic system" von J. Burgmeier und H.R. Trimmel in Proc. of 5. ECOC, Amsterdam 1979, Seiten 22.3-1 bis -4 ist ein Verfahren bekannt geworden, bei dem die durch nichtlineare Verzerrungen am Kennlinienknick erzeugten Oberwellen des überlagerten Pilottons detektiert werden und der Vorstrom entsprechend nachgeregelt wird. Auch hierbei tritt das empfangsseitige Problem des gegen niederfrequente Aussteuerung sehr empfindlichen Verstärkers auf.

Aufgabe der Erfindung war es deshalb, ein Verfahren anzugeben, das die Regelung von Vor- und Modulationsstrom eines Halbleiterlasers mit Hilfe eines überlagerten Pilottons ermöglicht, ohne daß die bei Verwendung der oben zitierten hochohmigen Vorverstärker genannten Nachteile zutage treten.

Die Lösung erfolgt bei einem gattungsgemäßen Verfahren mit den im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Mitteln.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist die Vorteile auf, daß es eine Regelung des Vor- und Modulationsstroms mit Hilfe eines überlagerten Pilottons ermöglicht, ohne daß die auf der Empfangsseite eingesetzten hochohmigen Vorverstärker durch niederfrequente Eingangspegel übersteuert werden können. Dieses Regelungsverfahren gestattet weiterhin eine Signalisierung zur Überwachung von Repeaterketten (Fehlerortung).

Es folgt nun die Beschreibung der Erfindung anhand der Figuren.

In Fig. 1 ist eine Halbleiterlaserkennlinie gezeichnet, an welcher der erfindungsgemäß modulierte Vor- und Modulationsstrom gespiegelt werden.

Die Fig. 2 zeigt zwei Ausführungsbeispiele für eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die zeitlichen Verläufe von Spannungen an einigen ausgezeichneten Punkten hinzugefügt wurden.

Die Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild für eine gesamte Halbleiterlaserregelungsanordnung.

In Fig. 1 ist die nichtlineare Kennlinie einer Halbleiterlaserdiode mit der Anfangssteigerung η 1, der Steigung η 2 am Knickpunkt und der hohen Steigung η 3 als Arbeitskennlinie erkennbar. Die Kennlinie gibt die Ausgangsleistung P über dem Strom I wieder. Nach unten sind Ansteuerungströme über der Zeit aufgetragen. Es ist der Vorstrom I_V erkennbar, dem ein Rechtecksignal 2n I_P mit der Periode Tp überlagert ist. Ein Ansteuerstrom in diesem Bereich ergibt die Ausgangsleistung P_P0 und entspricht der Leistung P_"0", d. h. der Ausgangsleistung für eine binäre Null. Für binäre Einsen wird dem Vorstrom bzw. dem überlagerten Vorstrom ein Modulationsstrom I_M überlagert, dem wiederum erfindungsgemäß ein Pilotrechtecksignal in Gegenphase überlagert ist. Dies ergibt die Ausgangsleistung P_P1 und entspricht der Ausgangsleistung P_"1" für eine binäre Eins. Wie die Fig. 1 oben rechts deutlich zeigt, sind die beiden Einhüllenden für die Sendepegel logisch Null bzw. binär Eins etwa gleich stark moduliert, d. h. P_P1 ungefähr gleich P_P0, so daß das Signal keine Schwankungen mit der Pilotfrequenz 1/T_P aufweist. Sind die beiden Einhüllenden jedoch verschieden stark moduliert, d. h. ist P_P1 ungleich P_P0, so tritt eine solche Schwankung auf. Wenn die Aussteuerung für das hochfrequente Sendesignal (P_S) zu klein ist, d. h. wenn die Modulation nicht bis in den Kennlinienknick nach unten reicht, so gilt P_P0 größer P_P1, und die niederfrequenten Schwankungen des Ausgangssignals sind in Phase mit dem Pilotton (I_P). Im umgekehrten Fall, wenn die hochfrequente Modulation des Sendesignals zu groß ist, so liegt der Sendepegel für die binäre Null, das ist P₀ unterhalb der Schwelle, und es gilt P_P0 kleiner P_P1, und die Schwankungen des Ausgangssignals sind dann in Gegenphase zu dem Pilotton bzw. Pilotstrom I_P. Es sind also drei Fälle zu unterscheiden:

• 1. kein Frequenzanteil 1/T_P im Ausgangssignal, Sendesignal in Ordnung.
• 2. Frequenzanteile 1/T_P in Phase mit Pilotstrom I_P, HF- Modulation I_M zu klein.
• 3. Frequenzanteile 1/T_P in Gegenphase zu Pilotstrom I_P, HF- Modulation von I_M zu groß.

Diese drei Fälle sind in Bild 2d bis f dargestellt, wobei links die Ausgangsspannung eines Komparators U_K und rechts die Ausgangsspannung U_A der Gesamtschaltung über der Zeit aufgetragen sind. Die Fig. 2a und 2b zeigen zwei Ausführungsbeispiele für eine Anordnung zur Gewinnung einer Regelspannung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. In Fig. 2a ist die Fotodiode FD erkennbar, die zwischen einer Speisespannung + U_R und einem Speisewiderstand R liegt und ihr Empfangssignal an einen Verstärker V abgibt. Dessen Ausgangssignal wird über einen Bandpaß BP auf die Pilotfrequenz 1/T_P gefiltert und einem Komparator K zugeführt. Der Ausgang des Komparators ist über einen Kondensator auf den einen Eingang eines EXOR-Gliedes geführt, dessen anderer Eingang durch den Pilotstrom I_P besetzt ist. Die Ausgangsspannung des EXOR-Gliedes ist U_A. In Fig. 2c ist der Pilotstrom I_P über der Zeit aufgetragen. In Fig. 2d ist nun der erste der oben genannten drei Fälle erkennbar, wonach also keine Frequenzanteile 1/T_P im Ausgangssignal vorhanden sind. Die Ausgangsspannung U_K des Komparators zeigt daher Gleichspannung. Die Ausgangsspannung des EXOR-Gliedes U_A zeigt entsprechend eine pulsierende Gleichspannung entsprechend dem Pilotstrom I_P, die nach einer Tiefpaßfilterung eine Regelspannung von _A = 0,5 ergibt. Der oben genannte dritte Fall wird in Fig. 2e veranschaulicht, wonach Frequenzanteile 1/T_P in Gegenphase zum Pilotstrom I_P auftreten. Der Komparator K wandelt das Empfangssignal in ein Rechtecksignal gemäß Fig. 2e um, und das EXOR-Glied führt an seinem Ausgang eine Dauer + 1. Im anderen Fall werden Frequenzanteile 1/T_P in Phase mit dem Pilotstrom I_P herausgefiltert, und der Komparator führt nunmehr eine Rechteckspannung U_K gemäß Fig. 2f, das EXOR-Glied eine Ausgangsspannung U_A = Null.

Es muß nachgeschickt werden, daß davon ausgegangen wird, daß der Vorstrom mit Hilfe einer der bekannten Mittelwertsregelungen des Ausgangssignals (z. B. der im US-PS 41 66 985 beschriebenen) eingestellt wird.

Die Fig. 2b zeigt eine Schaltungsausführung mit derselben Wirkung nach Fig. 2a, wobei anstelle des Komparators mit anschließendem EXOR-Glied ein Synchron-Demodulator SD, durch den das Empfangssignal mit dem Pilotstrom I_P synchron demoduliert wird, verwendet wird.

In Fig. 3 ist ein Gesamtblockschaltbild für eine Halbleiterlaserregelung aufgezeichnet. Es sind die Halbleiterlaserdiode LD und eine Empfangsdiode FD erkennbar. Die Halbleiterlaserdiode wird durch den Vorstrom I_V beaufschlagt, dem über ein erstes Additionsglied S1 der durch die Daten gesteuerte Modulationsstrom I_M (über Schalter MSD) überlagert wird. Dem Vorstrom I_V wird über ein weiteres Summierglied S3 und über ein weiteres Summierglied S2 in Gegenphase ein Pilotstrom I_P überlagert. Die Überlagerung erfolgt mittels zweier Schalter MSP0 und MSP1, die durch den Pilotgenerator PG angesteuert werden. Die Einströmungen werden durch entsprechende Spannungs-Stromsetzer erzeugt: für den Modulationsstrom ein Umsetzer I_M/U_M, für den Pilotstrom I_P/U_M, für den Vorstrom I_V/U_V und für den vorstromüberlagerten Pilotstrom ein Umsetzer 2n I_P/U_P0. Die beiden Modulationsstromeinspeisungen werden über einen Verstärker V3 angesteuert, der wiederum von einer Referenzspannung U_RM und von der tiefpaß(TP)gefilterten Ausgangsspannung U_A eines Synchron-Demodulators SD angesteuert wird. Der Synchron-Demodulator demoduliert synchron die Ausgangsspannung eines Verstärkers V1 mit dem Pilotton. Die Eingangsspannung des vorgenannten Verstärkers V1 ist die hochpaß(HP)gefilterte Ausgangsspannung der Fotodiode FD. Die Vorstromregelung erfolgt über einen Tiefpaß TP, der ausgangsseitig an die Fotodiode FD angeschlossen und dem ein weiterer Verstärker V2, dem eine Regelspannung U_RV zugeführt wird, nachgeschaltet ist, der die Regelspannung für den Vorstromeinspeiseteil liefert.

Claims (5)

1. Verfahren zum Regeln des optischen Ausgangssignals eines Halbleiterlasers (LD), wobei dem Vorstrom (I_V) ein Pilotton (2nI_P) und dem Modulationsstrom (I_M) ein dazu gegenphasiger Pilotton () überlagert wird und aus dem elektrischen Ausgangssignal eines optoelektronischen Wandlers (FD), der das optische Ausgangssignal des Halbleiterlasers (LD) empfängt und umwandelt, die Pilottonfrequenz ausgefiltert wird und wobei der so empfangene Pilotton mit einem Referenzsignal verglichen und abhängig vom Vergleichsergebnis dem Modulationsstrom (I_M) ein solches Regelsignal zugeführt wird, daß der Modulationsstrom (I_M) bei Erkennung eines überschüssigen gleichphasigen Pilotanteils vergrößert und bei Erkennung eines überschüssigen gegenphasigen Pilotanteils verkleinert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Pilottonüberlagerung auf den Modulationsstrom (I_M) mit unterschiedlicher Amplitude gegenüber derjenigen auf den Vorstrom (I_V) derart erfolgt, daß die obere (P_P1) und die untere Einhüllende (P_P0) des Ausgangssignals gleiche Pilottonamplituden aufweisen und daß das Amplitudenverhältnis von Modulationsstrom (I_M) und überlagertem gegenphasigem Pilotton () konstant gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pilotfrequenz 100 bis 200 kHz beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Amplitudenverhältnis von Modulationsstrom (I_M) und überlagertem gegenphasigem Pilotton () etwa 2% beträgt.

4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Komparator (K) vorgesehen ist, dem das von einer Fotodiode (FD) empfangene und verstärkte (V) sowie auf die Pilottonfrequenz gefilterte (BP) Empfangssignal zugeführt wird, und daß ein EXOR-Glied vorgesehen ist, an dessen einem Eingang die Ausgangsspannung des Komparators (K) und an dessen anderem Eingang der Pilotton (I_P) anliegt und an dessen Ausgang nach Tiefpaßfilterung die Regelspannung für den Modulationsstrom (I_M) abgegriffen wird.

5. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Synchron-Demodulator (SD) vorgesehen ist, dem das von einer Fotodiode (FD) empfangene und verstärkte (V) Ausgangssignal des Halbleiterlasers (LD) zugeführt wird, das mit dem Pilotton (I_P) synchron demoduliert wird, und welcher an seinem Ausgang nach Tiefpaßfilterung eine Regelspannung (U_A) für den Modulationsstrom (I_M) des Halbleiterlasers (LD) liefert.