DE4030995A1 - Laser-diode for fast data transmission with servo output - uses photodiode to monitor and set threshold and modulator currents - Google Patents

Laser-diode for fast data transmission with servo output - uses photodiode to monitor and set threshold and modulator currents

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DE4030995A1 DE19904030995 DE4030995A DE4030995A1 DE 4030995 A1 DE4030995 A1 DE 4030995A1 DE 19904030995 DE19904030995 DE 19904030995 DE 4030995 A DE4030995 A DE 4030995A DE 4030995 A1 DE4030995 A1 DE 4030995A1
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Abstract

A laser diode (3) is held at its extinction threshold with a bias current generator (5). A photodiode (2) monitors the laser output. The AC component is filtered out (1) and the DC component compared with a reference level (7) in a regulator (4) to maintain the bias current at the threshold level. Further compensation is introduced by comparing the regulator output with a second reference (10) and taking the difference (8) to set the modulator current (9) which is added to the bias current at the modulator switch (6). ADVANTAGE - Allows extinction threshold to be held over wider ranges of ambient-temp. and modulation frequency.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln des Ausgangssignals eines Halbleiterlasers nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for regulating the Output signal of a semiconductor laser according to the preamble of claim 1 and an arrangement for performing the Procedure.

Ein Einsatzgebiet für Halbleiterlager ist die digitale Übertragung von Nachrichten über Lichtleitfasern. Dabei ist es vorteilhaft, die Halbleiterlaser mit einem Vorstrom zu betreiben, der gleich dem Schwellstrom ist. Durch Temperatur- und Alterungseinflüsse ändert sich der Wert des Schwellstromes. Der Vorstrom sollte sich diesen Änderungen anpassen.One area of application for semiconductor bearings is digital Transmission of messages via optical fibers. It is advantageous to the semiconductor laser with a bias current operate that is equal to the threshold current. By temperature and aging influences the value of the Threshold current. The bias current should reflect these changes to adjust.

Aus der DE PS 32 07 741 ist es bekannt, den Vorstrom mit Hilfe eines Signals auf konstante optische Sendeleistung zu regeln, wobei das Signal durch den Vergleich zwischen einer Referenzgröße und dem Ausgangssignal einer Photodiode, die das optische Ausgangssignal des Halbleiterlasers empfängt, gebildet wird. Weiter ist es aus dieser Druckschrift bekannt, den Modulationsstrom des Halbleiterlasers mit Hilfe eines Signals zu regeln, daß durch den Vergleich zwischen einer Referenzgröße und dem Wechselanteil des Ausgangssignals einer Photodiode gebildet wird. Vor dem Vergleich wird der Wechselanteil des Ausgangssignals der Photodiode direkt, ohne zusätzliche Verstärkung durch Gleichrichtung und Mittelwertbildung in ein Gleichspannungssignal umgesetzt. Dabei wird die Diode zur Gleichrichtung unterhalb ihrer Diodenschwelle in quadratisch gleichrichtenden Bereich betrieben und eine weitere Diode mit gleichem Temperaturgang wird zur Kompensation der Temperaturtrift der Diode zur Gleichrichtung vorgesehen.From DE PS 32 07 741 it is known to use the bias current to regulate a signal to constant optical transmission power, where the signal by comparing one Reference quantity and the output signal of a photodiode, which the receives optical output signal of the semiconductor laser, is formed. It is also known from this publication the modulation current of the semiconductor laser using a Signal to regulate that by comparing one Reference variable and the alternating component of the output signal Photodiode is formed. Before the comparison, the  AC component of the output signal of the photodiode directly, without additional gain through rectification and Averaging converted into a DC voltage signal. The diode becomes the rectification below it Diode threshold in the square rectifying area operated and another diode with the same temperature response is used to compensate for the temperature drift of the diode Rectification provided.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Regeln des Ausgangssignals eines Halbleiterlasers anzugeben, mit dem der Extinktionsfaktor des optischen Ausgangssignals über einen relativ großen Temperaturbereich in einem zulässigen Toleranzbereich gehalten werden kann. Weiter ist es Aufgabe eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.It is an object of the invention to provide a method for regulating the Specify output signal of a semiconductor laser with which the Extinction factor of the optical output signal over a relatively large temperature range in a permissible Tolerance range can be kept. It is another task specify an arrangement for performing the method.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist in dem Patentanspruch 2 angegeben. Neben der Bedingung, daß der Vorstrom dem Schwellstrom entspricht, stellt sich insbesondere bei hohen Datenraten die Forderung, daß der Extinktionsfaktor des optischen Ausgangssignals über einen großen Temperaturbereich nahezu konstant ist. Diese Bedingungen können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfüllt werden. Außerdem kann das erfindungsgemäße Verfahren für die Arbeitspunktstabilisierung von Halbleiterlaserdioden eingesetzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist zudem mit geringem Aufwand realisierbar.The task is accomplished through a process with the characteristics of Claim 1 solved. An arrangement to carry out the The method is specified in claim 2. In addition to the Condition that the bias current corresponds to the threshold current, Especially with high data rates, there is a requirement that the extinction factor of the optical output signal over is almost constant over a wide temperature range. These Conditions can be met with the method according to the invention will. In addition, the inventive method for the Working point stabilization of semiconductor laser diodes be used. The method according to the invention is also can be implemented with little effort.

Die Regelung des Modulationsstroms und damit der optischen Signalamplitude basiert bei der erfindungsgemäßen Lösung auf dem Temperaturverhalten des Schwellstroms. Für den Schwellstrom einer Halbleiterlaserdiode gilt näherungsweise das folgende Temperaturverhalten: (siehe Fig. 2)The regulation of the modulation current and thus the optical signal amplitude in the solution according to the invention is based on the temperature behavior of the threshold current. The following temperature behavior approximately applies to the threshold current of a semiconductor laser diode: (see FIG. 2)

Ith = Ith0 exp (dT/T₀).I th = I th0 exp (dT / T₀).

T₀ = charakteristische Lasertemperatur (materialabhängig),
Ith0 = Schwellstrom bei dT = 0.T₀ = characteristic laser temperature (depending on material),
I th0 = threshold current at dT = 0.

Bei der Regelung auf konstante optische Sendeleistung wird der Vorstrom automatisch dem Schwellstrom nachgeregelt. Daraus kann ein Regelsignal für die Korrektur des Modulationsstroms über eine entsprechend dimensionierte Kompensationsschaltung abgeleitet werden. Die oben genannte Gleichung für das Temperaturverhalten des Schwellstromes kann dabei beispielsweise durch eine Gerade angenähert werden. Unter der Voraussetzung einer linearen Näherung der Laserkennlinie ergeben sich zwei Schnittpunkte zwischen dem realen Temperaturverhalten des Schwellstromes und dem daran angenäherten Temperaturverhalten des Vorstroms. Hieraus ergibt sich, daß in zwei Arbeitspunkten der Extinktionsfaktor (siehe Fig. 3) exakt abgeglichen werden kann. Der entstehende Fehler zwischen den Abgleichpunkten ist durch den annähernden linearen Temperaturgang des Schwellstroms gering. Es sind auch Kompensationsnetzwerke realisierbar, die den Temperaturgang des Schwellstroms exakt nachbilden, die jedoch mit höherem Schaltungsaufwand verbunden sind. Neben dem geringen Realisierungsaufwand weist das erfindungsgemäße Verfahren die Vorteile auf, daß es unabhängig von der Datenrate des Modulationssignals arbeitet, daß es eine große Genauigkeit aufweist, daß eine ideale Wärmekopplung möglich ist und daß es kostengünstig durchführbar ist.When regulating to constant optical transmission power, the bias current is automatically adjusted to the threshold current. A control signal for the correction of the modulation current can be derived from this via a correspondingly dimensioned compensation circuit. The above-mentioned equation for the temperature behavior of the threshold current can be approximated, for example, by a straight line. Assuming a linear approximation of the laser characteristic curve, there are two points of intersection between the real temperature behavior of the threshold current and the temperature behavior of the bias current approximated to it. It follows from this that the extinction factor (see FIG. 3) can be exactly adjusted in two working points. The error that occurs between the adjustment points is small due to the approximate linear temperature response of the threshold current. Compensation networks can also be implemented, which exactly reproduce the temperature response of the threshold current, but which are associated with higher circuit complexity. In addition to the low implementation effort, the method according to the invention has the advantages that it works independently of the data rate of the modulation signal, that it has great accuracy, that ideal heat coupling is possible, and that it can be carried out inexpensively.

Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Es zeigen:Using the drawings, an embodiment of the Invention explained. Show it:

Fig. 1 eine Laserkennlinie und ein optisches Sendesignal zur Erläuterung des Extinktionsfaktors, Fig. 1 is a laser characteristic curve and an optical transmission signal for explaining the extinction factor,

Fig. 2 den Temperaturgang des Schwellstroms einer Halbleiterlaserdiode, Fig. 2 shows the temperature sensitivity of the threshold current of a semiconductor laser diode,

Fig. 3 den Temperaturgang des Schwellstroms einer Halbleiterlaserdiode und das Temperaturverhalten des Vorstroms und Fig. 3 shows the temperature response of the threshold current of a semiconductor laser diode and the temperature behavior of the bias current and

Fig. 4 eine Schaltungsanordnung zur Erläuterung des Regelprinzips. Fig. 4 shows a circuit arrangement for explaining the control principle.

In Fig. 1 ist die Zusammensetzung des Laserstroms IL dargestellt. Die optische Ausgangsleistung des Lasers Popt ist vom Laserstrom IL abhängig. Der Laserstrom IL setzt sich aus einen Vorstrom IV der dem Schwellstrom Ith entsprechen sollte und den Modulationsstrom IMod zusammen. Dem Vorstrom IV entspricht einer optischen Ausgangsleistung PS0. Die maximale Ausgangsleistung beträgt PS1. Der Extinktionsfaktor ist definiert durch den Quotienten aus der Ausgangsleistung, die einem Schwellstrom als Laserstrom entspricht und der maximalen Ausgangsleistung.In Fig. 1, the composition of the laser current I L is shown. The optical output power of the laser P opt depends on the laser current I L. The laser current I L is composed of a bias current I V which should correspond to the threshold current Ith and the modulation current I Mod . The bias current I V corresponds to an optical output power P S0 . The maximum output power is P S1 . The extinction factor is defined by the quotient of the output power, which corresponds to a threshold current as the laser current, and the maximum output power.

E = Extinktionsfaktor.E = extinction factor.

In Fig. 2 ist das Temperaturverhalten des Schwellstroms dargestellt. Dabei wurde von einer charakteristischen Lasertemperatur von 70 K ausgegangen und der Schwellstrom wurde mit dem Schwellstrom bei der charakteristischen Lasertemperatur normiert gegen die Temperaturänderung aufgetragen. In FIG. 2, the temperature characteristics of the threshold current is shown. A characteristic laser temperature of 70 K was assumed and the threshold current was plotted against the temperature change using the threshold current at the characteristic laser temperature.

Fig. 3 zeigt nochmals die Darstellung des Temperaturganges des Schwellstromes, in diese Darstellung wurde jedoch der Temperaturgang des normierten Modulationsstromes eingetragen. Fig. 3 is an illustration again shows the temperature response of the threshold current, in this illustration, however, the temperature response of the normalized modulation current was added.

In Fig. 4 ist eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Eine Laserdiode wird mit einem Vorstrom IV betrieben, der von einer Stromsenke 5 geliefert wird. Weiter wird der Laserdiode 3 ein Modulationsstrom IMod zugeführt, der von einer Stromsenke 9 ausgeht und im Rhythmus eines Datensignals D mittels eines Schalters 6 dem Laserstrom zugeschaltet wird. Es ist eine Monitordiode 2 vorgesehen, die zur Lichtleistungsdetektion der Ausgangsleistung der Laserdiode 3 dient. Die Monitordiode 2 setzt das empfangene optische Signal in ein elektrisches Signal um. Das elektrische Ausgangssignal der Monitordiode wird einem Tiefpaß 1 zugeführt, der den Gleichanteil des Signals ausfiltert und einer Regelschaltung 4 zuführt. In der Regelschaltung 4 wird der Gleichanteil des Ausgangssignals der Monitordiode 2 mit einem Referenzsignal 7 verglichen und die Stromsenke 5 wird mit dem Ausgangssignal der Regelschaltung 4 angesteuert. Durch eine Regelung in der Regelschaltung 4 auf konstante optische Sendeleistung wird der Vorstrom automatisch dem Schwellstrom nachgeregelt. Änderungen des Schwellstromes, die temperatur- oder alterungsbedingt sind, paßt sich der Vorstrom also an. Das Ausgangssignal der Regelschaltung 4 dient weiter zur Erzeugung eines zweiten Signals zur Steuerung der Stromquelle 9 für den Modulationsstrom. Dieses zweite Signal entsteht durch Vergleich des Ausgangssignals der Regelschaltung 4 mit einem zweiten Referenzsignal 10 in einer Kompensationsschaltung 8. Durch zwei oder mehrere Abgleichpunkte für den entsprechenden Temperaturbereich kann der Verlauf des Temperaturverhaltens für den Modulationsstrom approximiert werden.In FIG. 4 illustrates an arrangement for implementing the method according to the invention. A laser diode is operated with a bias current I V , which is supplied by a current sink 5 . Furthermore, the laser diode 3 is supplied with a modulation current I Mod , which starts from a current sink 9 and is switched on to the laser current in rhythm with a data signal D by means of a switch 6 . A monitor diode 2 is provided, which is used for light power detection of the output power of the laser diode 3 . The monitor diode 2 converts the received optical signal into an electrical signal. The electrical output signal of the monitor diode is fed to a low-pass filter 1 , which filters out the direct component of the signal and feeds it to a control circuit 4 . In the control circuit 4 , the direct component of the output signal of the monitor diode 2 is compared with a reference signal 7 and the current sink 5 is controlled with the output signal of the control circuit 4 . By regulating the control circuit 4 to constant optical transmission power, the bias current is automatically adjusted to the threshold current. The bias current adapts to changes in the threshold current that are caused by temperature or aging. The output signal of the control circuit 4 is also used to generate a second signal for controlling the current source 9 for the modulation current. This second signal is produced by comparing the output signal of the control circuit 4 with a second reference signal 10 in a compensation circuit 8 . The course of the temperature behavior for the modulation current can be approximated by two or more adjustment points for the corresponding temperature range.

Claims (2)

1. Verfahren zum Regeln des Ausgangssignals eines Halbleiterlasers, wobei der Vorstrom dee Halbleiterlasers mit Hilfe eines ersten Signals auf konstante optische Sendeleistung geregelt wird, wobei das erste Signal durch den Vergleich zwischen einer ersten Referenzgröße und dem Ausgangssignal einer Photodiode, die das optische Ausgangssignal des Halbleiterlasers empfängt, gebildet wird, wobei der Modulationsstrom des Halbleiterlasers mit Hilfe eines zweiten Signals geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nur der Gleichanteil des Ausgangssignals der Photodiode zur Bildung des ersten Signals berücksichtigt wird und daß das zweite Signal durch den Vergleich zwischen einer zweiten Referenzgröße und dem ersten Signal gebildet wird.1. A method for regulating the output signal of a semiconductor laser, the bias current of the semiconductor laser being regulated with the aid of a first signal to constant optical transmission power, the first signal being obtained by comparing a first reference variable and the output signal of a photodiode, which is the optical output signal of the semiconductor laser receives, is formed, the modulation current of the semiconductor laser being regulated with the aid of a second signal, characterized in that only the direct component of the output signal of the photodiode is taken into account for forming the first signal and in that the second signal is obtained by comparing a second reference variable and the first signal is formed. 2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
  • - ein Halbleiterlaser (3) mit einer Photodiode (2) zur Detektion der Ausgangslichtleistung des Halbleiterlasers (3),
  • - ein Tiefpaß (1) zum Ausfiltern des Gleichanteils des Ausgangssignals der Photodiode (2),
  • - eine Regelschaltung (4) zum Vergleich des ersten Referenzsignals mit dem Gleichanteil des Ausgangssignals der Photodiode (2) und somit zum Erzeugen des ersten Signals, daß die Stromsenke (5) für den Vorstrom steuert,
  • - eine Kompensationsschaltung (8) die das erste Signal mit einem zweiten Referenzsignal vergleicht und die Stromsenke (9) für den Modulationsstrom steuert.
2. Arrangement for performing the method according to claim 1, characterized by the following features:
  • a semiconductor laser ( 3 ) with a photodiode ( 2 ) for detecting the output light power of the semiconductor laser ( 3 ),
  • - a low-pass filter ( 1 ) for filtering out the DC component of the output signal of the photodiode ( 2 ),
  • a control circuit ( 4 ) for comparing the first reference signal with the direct component of the output signal of the photodiode ( 2 ) and thus for generating the first signal that the current sink ( 5 ) controls for the bias current,
  • - A compensation circuit ( 8 ) which compares the first signal with a second reference signal and controls the current sink ( 9 ) for the modulation current.
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