DE4010054A1 - Praezisionsregelung fuer laserdioden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mikroprozessor-gesteuerte Präzisionsregelung für die gleichzeitige Regelung des Stromes und der Temperatur von Laserdioden.

Laserdioden sind Halbleiter mit einer pn-Übergangsschicht. Sie sind in der Lage, kohärente Strahlung zu emittieren, wenn sie von einem elektrischen Strom durchflossen werden. Bei niedrigen Betriebsströmen verhalten sich Laserdioden wie LEDs. Ab dem Schwellstrom steigt die optische Ausgangsleistung der Laserdiode stark an. Der Wirkungsgrad nimmt zu und die Lichtverstärkung setzt ein, wodurch sich die spektrale Emissionsbreite verringert.

Es gibt sehr vielfältige Anwendungen für Laserdioden, wobei je nach Einsatzgebiet die einzelnen Vorteile der Laserdiode ausgenutzt werden: hohe Modulationsbandbreite, kohärente Strahlung, kompakte Bauform, hohe mögliche Ausgangsleistung, einfache Handhabung und lange Lebensdauer.

Die Wellenlänge hängt dabei von dem Strom durch die Laserdiode und der Temperatur ab. Typische Abstimmempfindlichkeiten sind 8 GHz/mA bzw. 5 nm bei einer Temperaturänderung von 30°C. Als Ergebnis eines Temperaturwechsels können Modensprünge und temperaturbedingte Hystereseffekte auftreten (Schumann F., Tietgen K.-H.: Temperaturstabilisierung von Laserdioden, Elektronik 11/1. 6. 1984). Durch eine Temperaturstabilisierung ist es möglich, einen reinen Monomodebetrieb ohne Modensprünge zu realisieren. Laserdioden werden in der einfachsten Ausführung auf einer Wärmesenke montiert oder auch als Sendemodul mit einem thermoelektrischen Kühler und einem Thermistor als komplette Lichtquelle für die optische Nachrichtentechnik angeboten.

Zur Stromversorgung einer Laserdiode sind die meisten Gleichstromversorgungen ungeeignet, da sie meist eine schlechte Auflösung (typ. 10 mA), unzureichende Stabilität (typ. 3 mA) und einen zu hohen Rauschanteil haben. Eine Modulation ist ebenfalls nicht möglich. Schwerwiegender jedoch sind die beim Einschalten oder Umschalten auftretenden Stromspitzen, die zur Zerstörung der Laserdiode führen.

Als Anforderungen an die Stromversorgung einer Laserdiode sind ein sehr guter Schutz gegen Spannungsspitzen und Transienten, ein vom Anwender einstellbarer Grenzstrom für die Laserdiode, der nicht überschritten werden darf, eine hohe Einstellgenauigkeit des Stroms durch die Laserdiode und eine hohe Stabilität und Rauchfreiheit des Stroms durch die Laserdiode gefordert. Kommerziell werden verschiedene Steuergeräte für Laserdioden angeboten. Die meisten Geräte können jedoch nur den Strom oder die Temperatur einer Laserdiode stabilisieren. Bei den Werten der Stromstabilität und dem Anteil der Transienten, sowie der Einstellgenauigkeit und der Ausführung des Leistungsregelungs-Modus sind jedoch weitaus bessere Resultate zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Präzisions-Steuergerät für die gleichzeitige Regelung des Stroms und der Temperatur einer Laserdiode zu realisieren. Dabei fällt den Schutzmaßnahmen für die Laserdiode, der Stabilität und der Einstellgenauigkeit des Stroms durch die Laserdiode besonderes Gewicht zu.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch schaltungstechnische Verfahren gelöst. Das Funktionsblockschaltbild ist in Fig. 1 dargestellt. Zur Steuerung der umfangreichen Funktionen des Gerätes dient ein Mikroprozessor 1. Schnittstellen 2 zu PCs, wie sie heutzutage Standard sind, können dadurch leicht realisiert werden.

Zunächst ist vom Anwender ein geeigneter Begrenzungsstrom 3 unabhängig vom Laserdiodenausgang 19 einzustellen. Durch Umschalten in die gewünschte Betriebsart Stromregelung 18 fließt dann ein Strom 19 durch die Laserdiode 10, der durch ein 10-Gang-Potentiometer 4 kontinuierlich eingestellt werden kann. Der volle Bereich des Potentiometers 4 wird dabei an den vorher vom Anwender individuell gewählten Begrenzungsstrom 3 angepaßt, in dem die Spannung für das Potentiometer 4 von einem Digital/Analog-Wandler 5 abgeleitet wird. Damit ist die Einstellgenauigkeit nicht vom insgesamt zu regelnden Strombereich (z. B. 200 mA oder auch 1 A) abhängig, sondern jeweils der zu betreibenden Laserdiode 10 voll angepaßt (z. B. DFB-Laser mit Schwellstrom 10 mA). Ein weiterer Vorteil liegt in der sich damit automatisch ergebenden Tatsache, daß keine Überschreitung des vorher gewählten Begrenzungsstroms 3 durch Fehlbedienung des Anwenders oder bei absichtlicher Abschaltung des Prozessors 1 (vgl. "power-down"-Mode) möglich ist, da im "power-down"-Modus die Betriebsart nicht gewechselt werden kann.

Durch den Einsatz eines Mikroprozessors 1 treten physikalisch bedingte Transienten auf dem Laserstrom 19 auf. Soll der Strom 19 durch die Laserdiode 10 besonders rauscharm sein, so wird dies durch Einstellen der Betriebsart "power-down" erreicht, die den Takt vom Prozessor 1 abschaltet. Durch die analoge Einstellung des Laserdiodenstroms 19 mit einem Potentiometer 4 kann trotz abgeschaltetem Prozessor 1 der Strom 19 weiterhin kontinuierlich eingestellt werden. Der Prozessor 1 kann entweder durch Betätigen einer speziellen Taste wieder in den normalen Betrieb zurückkehren oder alle Bedienelemente des Gerätes sind logisch zu verknüpfen, so daß ein Druck auf eines der Bedienelemente oder der Aufwach-Steuerbefehl über eine Rechnerschnittstelle 2 automatisch einen Reset für den Prozessor 1 auslöst, wobei die zuletzt eingestellten Parameter beibehalten werden.

Unabhängig von der Betriebsart Stromregelung 17 oder Leistungsregelung 18 wird laufend der mit einem Potentiometer 7 kontinuierlich einstellbare Begrenzungsstrom 3 gemessen und mit dem bei Verlassen der Betriebsart LIMIT abgespeicherten Grenzwert für den Strom 19 verglichen. Wird die Stellung des Potentiometers 7 unbeabsichtigt verstellt, also ohne in die Betriebsart LIMIT zu wechseln, bei der die Laserdiode 10 durch einen elektronischen Kurzschluß geschützt ist, schaltet der Prozessor 1 sofort in die Betriebsart LIMIT zurück.

Durch einen Monitoreingang 8 kann die Laserdiode 10 auch in einem Leistungsregelungsmodus 17 zur Konstanthaltung der optischen Ausgangsleistung betrieben werden. Bevor die Betriebsart Leistungsregelung 17 vom Mikroprozessor 1 freigegeben wird, wird der eingespeiste Monitorstrom 9 gemessen. Bei nicht genügend vorhandenem Monitorstrom 9 würde der Laserstrom 19 bis zum Begrenzungsstrom 3 aufgeregelt werden, so daß durch Vergleich des eingespeisten Monitorstromes 9 mit einem Mindestwert ein Aufregeln des Laserstroms 19 vermieden werden kann. Bei Feststellung einer falschen Polarität des Monitorstroms 9 wird ebenfalls das Umschalten in den Leistungsregelungs-Modus 17 nicht durchgeführt.

Bei der Betriebsart Leistungsregelung 17 würde abhängig vom momentanen Monitorstrom 9 und der momentanen Stellung des den Sollwert des Monitorstroms vorgegebenen Potentiometers 4 des Laserstroms 19 eventuell bis zum Begrenzungsstrom 3 aufgeregelt werden. Durch Vorgabe des Sollwertes mit einem Potentiometer 4 im Vergleich etwa zu einer digitalen Erzeugung des Sollwertes in Stufen z. B. mit einem Bitgenerator, ist der Vorteil der kontinuierlichen Einstellung der Ausgangsleistung gegeben.

Durch Messen des eingespeisten Monitorstroms 9 könnte dieser durch eine automatische Signalanpassung an den Sollwert der Regelschleife 17 angeglichen werden. Dies hat jedoch den Nachteil, daß die Regelkreisparameter der Regelung 17 nicht optimal ausgelegt werden können, da kommerziell erhältliche Laserdioden 10 sehr unterschiedliche Ströme der integrierten Monitordiode 11 liefern. Auch kann der Anwender einen Regelkreis 17 mit einer externen Monitordiode 11 realisieren, wobei unterschiedlichste Pegel des Monitorstroms 9 vorkommen können. Deshalb wird der eingespeiste Monitorstrom 9 durch Veränderung des Sollwertes für den Regelkreis 17 angeglichen. Die Stellung des Potentiometers 4 bleibt dabei unverändert. Der Sollwert wird über einen Digital/Analog-Wandler 5 mit steigenden Werten vom Mikroprozessor 1 verändert, bis der eingespeiste Monitorstrom 9 dem am Potentiometer 4 eingestellten und über den Digital-Analog-Wandler 5 veränderten Sollwert 13 entspricht. Damit wird der Strom 19 durch die Laserdiode 10 solange von Null angefangen erhöht, bis der Sollwert 13 dem Istwert 9 gleicht und der Laserstrom 10 beim Umschalten vom Stromregelungs-Modus 18 in den Leistungsregelungs-Modus 17 keine sprunghafte Änderung erfährt. Für die Einstellung des Laserstroms 19 und des Monitorstroms 9 ist dann nur ein Potentiometer 4 erforderlich. Die Regelkreisparameter 17 in der Betriebsart Leistungsregelung bzw. 18 in der Betriebsart Stromregelung bleiben durch Anwendung dieses Prinzips unverändert und können so optimiert werden.

Spannungsspitzen, wie sie bei dem Zünden beispielsweise von Leuchtstoffröhren der Raumbeleuchtung auftreten, dürfen nicht auf den Laserstrom 19 durchschlagen. Zur Verhinderung sind ein Netzfilter, Kondensatoren zur Abblockung von Transienten direkt an der Sekundärseite der Transformatorwicklung, Suppressordioden an alle Betriebsspannungen und geschirmte Leitungen zur Laserdiode 10 und zum Meßwiderstand vorgesehen.

Durch Ansteuerung der Laserdiode 10 und der Monitordiode 11 gegen Masse 14 werden im Vergleich zum Floating-Betrieb Schwierigkeiten wie etwa bei der Ansteuerung von Laserdiodenmodulen mit integriertem Thermistor und beliebiger interner Verbindung der drei Bauelemente und der Gehäusemasse vermieden. Auch ist die Ansteuerung gegen Masse 14 weniger gegen Einstreuungen von Störungen anfällig. Modulationssignale 15 können ebenfalls gegen Masse 16 betrieben werden, so daß die Modulationssignale 15 direkt mit Funktionsgeneratoren erzeugt werden können.

Claims (1)

1. Präzisionsregelung des Injektionsstroms, der optischen Ausgangsleistung und der Temperatur von Laserdioden mit einem mikroprozessor-gesteuerten Gerät, dadurch gekennzeichnet,
   daß die Betriebsgrößen Begrenzungsstrom 3, Laserstrom 19, Monitorstrom 9 und Temperatur kontinuierlich mit Potentiometern 4, 7 eingestellt werden können,
   daß zunächst der Begrenzungsstrom 3 für den Injektionsstrom 19 separat vom Anwender eingestellt werden muß,
   daß der maximale Einstellbereich des Einstellreglers 4 zur Wahl des Injektionsstroms 19 im Stromregelungsbetrieb 18 durch Vorgabe der Arbeitsspannung des Einstellreglers 4 von einem Digital/Analog-Wandler 5 aus mit dem frei wählbaren Wert des Begrenzungsstroms 3 übereinstimmt,
   daß zur Verhinderung von Transienten auf dem Injektionsstrom 19 eine Betriebsart vorgesehen wird, bei der der Prozessor 1 durch Abschalten "power-down" des Taktoszillators ausgeschaltet wird,
   daß der Einstellregler 7 für die Wahl des Begrenzungsstroms 3 laufend überwacht wird und damit ein unbeabsichtigtes Verstellen des Wertes 3 vermieden werden kann,
   daß durch Messung des Monitorstromes 9 ein Aufregeln des Injektionsstroms 19 bei der Betriebsart Leistungsregelung 17 vermieden werden kann,
   daß durch Änderung des Sollwertes 13 des Regelkreises 17 durch Ansteuerung des Einstellreglers 4 mit der Ausgangsspannung eines Digital/Analog-Wandlers 5 ein automatisches Anpassen des Sollwertes 13 an den Istwert 9 erfolgt, bevor der Regelungsbetrieb 17 eingeschaltet wird,
   daß Störungen im Hinblick auf den Laserstrom 19 durch Netzfilter, Blockkondensatoren an der Sekundärseite der Transformatorwicklungen, Suppressordioden bei allen Betriebsspannungen vermieden werden und geschirmte Leitungen zur Laserdiode 10 und zu den Meßwiderständen vorgesehen sind,
   daß die Laserdiode 10 und die Monitordiode 11 gegen Masse 14 betrieben werden und die Modulation 15 des Laserstroms 19 ebenfalls auf Masse 16 bezogen werden kann.