DE4109957A1 - Schaltungsanordnung zur stabilisierung des modulationsgrades der optischen ausgangsleistung einer laserdiode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Stabilisie­ rung des Modulationsgrades der optischen Ausgangsleistung einer Laserdiode, bei der der Laserdiode ein Vorstrom zugeführt wird, dem ein in Abhängigkeit von einem Datensignal modulierter Modu­ lationsstrom überlagert ist, wobei der der Laserdiode zugeführte Strom einen Anteil, der von der Temperatur der Laserdiode abhängt, und einen Anteil, der von der optischen Ausgangsleistung der Laserdiode abhängt, enthält.

Bekanntlich weisen Laserdioden eine Strom-Lichtleistungs-Kenn­ linie auf, die mit steigendem Strom, ausgehend von dem Nullpunkt, zunächst mit geringer Steilheit und dann mit deutlich größerer Steilheit ansteigt. Bei Verwendung einer Laserdiode als Sende­ diode in einer optischen Übertragungsstrecke wird der Kennlinien­ teil mit der größeren Steilheit ausgenutzt, in dem die Laserdiode Laserstrahlung abzugeben vermag (Laserbereich).

Wird eine Laserdiode mit Stromimpulsen, jeweils ausgehend von dem Nullpunkt angesteuert, so macht sich jeweils eine durch das Durchlaufen des Kennlinienteils mit der geringen Steigung beding­ te Verzögerung des optischen Ausgangssignals bemerkbar, so daß eine solche Ansteuerung allenfalls bei kleinen Datenraten (z. B. 2Mbit/s) in Frage kommt.

Bei höheren Datenraten wird die Laserdiode zur Reduzierung von Einschaltverzögerungen üblicherweise mit einem Vorstrom betrie­ ben, dem ein dem Datensignal entsprechender Modulationsstrom überlagert wird. Der Vorstrom wird dabei so gewählt, daß er dem Schwellstrom, bei dem die Laserdiodenkennlinie von der geringe­ ren Steilheit in die größere Steilheit übergeht, entspricht (ELEKTRONIK, Heft 22, Jahrgang 1982, Seiten 89 bis 94).

Mit zunehmender Temperatur der Laserdiode ist eine Verschiebung des Schwellenstroms zu höheren Werten hin und eine Abnahme der Kennliniensteilheit im Laserbereich festzustellen.

Für einen Betrieb einer Laserdiode mit konstantem Spitzenwert der optischen Ausgangsleistung und geringer Einschaltverzögerung werden daher zweckmäßigerweise Maßnahmen getroffen, die der tem­ peraturabhängigen Kennlinienveränderung entgegenwirken. Dabei kann man z. B. in der Weise verfahren, daß der die Laser­ diode speisende Strom in Abhängigkeit von der Amplitude des von der Laserdiode abgegebenen Ausgangssignals beeinflußt wird. Ein solches Verfahren setzt jedoch die Verwendung von Monitorfoto­ dioden voraus, die bei der höchsten auftretenden Übertragungsbit­ rate eine ausreichend kurze Ansprechzeit aufweisen; darüber hin­ aus ist ein nicht unerheblicher schaltungstechnischer Aufwand für die Auswertung des von einer solchen Monitorfotodiode abgege­ benen Signals notwendig.

Man kann auch in der Weise verfahren, daß der Modulationsstrom in Abhängigkeit vom Mittelwert des optischen Ausgangssignals der Laserdiode geregelt wird, wobei relativ träge Fotodioden verwen­ det werden können; dabei wird dem Modulationsstrom ein nieder­ frequenter Pilotstrom überlagert, die Kennliniensteilheit ermit­ telt und der Modulationsstrom in entsprechender Weise nachgeführt. Neben dem hohen schaltungstechnischen Aufwand für ein solches Verfahren macht es sich nachteilig bemerkbar, daß die Regelzeit­ konstante des dabei eingesetzten Regelkreises zur Regelung in Ab­ hängigkeit von der Kennliniensteilheit deutlich größer sein muß als die Regelzeitkonstante des ebenfalls eingesetzten Regelkrei­ ses zur Mittelwertsregelung des Laserdiodenausgangssignals um eine gegenseitige Beeinflussung der Regelkreise zu vermeiden, was wiederum eine entsprechend lange Gesamteinschwingdauer der Regelung zur Folge hat.

Sollen entsprechend diesem Verfahren nach einer längeren Über­ tragungspause erneut Daten übertragen werden, wie z. B. bei Burstbetrieb, so ist entweder ein Einlaufvorgang für die Dauer der Gesamteinschwingdauer der Regelkreise vorzusehen, was mit einer entsprechenden Verzögerung der Datenübertragung einher­ geht, oder es muß ein durch die nicht vollständige Nachrege­ lung bedingter Verlust des Laserdiodenausgangssignals hinge­ nommen werden.

Es ist auch (aus der EP-B1-0 34 957) eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der einer Laserdiode einerseits ein Vorstrom, der in Abhängigkeit von der Laserdiodentemperatur geregelt wird, und andererseits ein Strom, der in Abhängigkeit von der optischen Ausgangsleistung der Laserdiode geregelt und in Abhängigkeit von einem Datensignal moduliert wird, zugeführt wird. Bei dieser Schaltungsanordnung macht es sich als nachteilig bemerkbar, daß alterungsbedingte Veränderungen des Laserdiodenschwellstromes nicht vollständig ausgeglichen werden.

Die Erfindung löst das Problem, bei einer Schaltungsanordnung zur Stabilisierung des Modulationsgrades der optischen Ausgangs­ leistung einer Laserdiode die oben angegebenen Nachteile zu ver­ meiden.

Das Problem wird dadurch gelöst, daß der Vorstrom in Abhängig­ keit von der optischen Ausgangsleistung der Laserdiode geregelt und die Amplitude des Modulationsstromes in Abhängigkeit von der Temperatur der Laserdiode gesteuert wird.

Die Erfindung bringt die Vorteile mit sich, daß der Modulations­ grad des Laserdiodenausgangssignals bei geringem schaltungstech­ nischem Aufwand weitgehend temperaturunabhängig ist, wobei ins­ besondere für Burstbetrieb vorteilhaft kurze Gesamteinschwing­ dauern erreicht werden.

Weitere Besonderheiten der Erfindung sind aus den Unteransprü­ chen ersichtlich.

Eine besondere Ausführungsform sieht vor, daß die Temperatur der Laserdiode mit Hilfe eines in einen Spannungsteiler einge­ fügten temperaturabhängigen Widerstandes erfaßt wird. Diese Maßnahme bringt den Vorteil mit sich, daß für einen be­ grenzten Temperaturbereich ein Spannungsteilerausgangssignal ge­ liefert wird, das dem erforderlichen Verlauf der Amplitude des Modulationsstromes in Abhängigkeit von der Laserdiodentempera­ tur entspricht.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß der Spannungsabfall über einem niederohmigen Widerstand als Maß für die Amplitude des Modulationsstromes ausgewertet wird.

Diese Maßnahme bringt den Vorteil mit sich, daß der minimale Spannungsabfall an der Stromquelle SQM klein ist, so daß eine Speisespannung der Schaltungsanordnung von 5 V ausreicht.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß der von einer Strom­ quelle SQM gelieferte Strom, der die Amplitude des Modulations­ stromes aufweist, von einer Modulationseinrichtung in Abhängig­ keit von dem Datensignal entweder der Laserdiode oder einem Be­ zugspotential zugeführt wird.

Durch diese Maßnahme wird vermieden, daß der von der Stromquelle SQM abgegebene Strom bei jedem Zustandswechsel des Datensignals einen geänderten Wert annehmen muß.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren im zum Ver­ ständnis erforderlichen Umfang beschrieben.

Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanord­ nung,

Fig. 2 typische Kennlinienverläufe einer Laserdiode in Abhängig­ keit von der Laserdiodentemperatur,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungs­ anordnung.

Fig. 1 zeigt eine Serienschaltung einer Laserdiode LD mit einer Stromquelle SQV, wobei der Stromquelle SQV die Serienschaltung einer Stromquelle SQM mit einer Modulationseinrichtung MOD pa­ rallelgeschaltet ist. Die Laserdiode LD ist mit ihrer Kathode, die die von der Serienschaltung abgewandte Elektrode bildet, mit dem das niedrige Potential U_SS aufweisenden Anschluß einer nicht näher dargestellten Betriebsspannungsquelle, die zwischen ihren beiden Anschlüssen die Potentialdifferenz U_DD-U_SS aufweist, ver­ bunden. Die von der Laserdiode LD abgewandten Elektroden der Serienschaltungen sind mit dem das hohe Potential U_DD aufweisen­ den Anschluß der Betriebsspannungsquelle verbunden. Die Strom­ quelle SQV führt der Laserdiode LD einen Vorstrom Ivor zu, der, wie durch eine Strich-Punkt-Linie Opt angedeutet, in Abhängigkeit von der optischen Ausgangsleistung der Laserdiode LD geregelt wird. Der von der Stromquelle SQM gelieferte und in der Modula­ tionseinrichtung MOD in Abhängigkeit von einem Datensignal DATA modulierte Strom Imod wird ebenfalls der Laserdiode LD zugeführt; dabei wird die Amplitude des von der Stromquelle SQM gelieferten Stromes, wie durch eine gestrichelte Linie Temp angedeutet, in Abhängigkeit von der Temperatur der Laserdiode gesteuert.

Fig. 2 zeigt einen typischen Kennlinienverlauf der optischen Aus­ gangsleistung P0 einer Laserdiode in Abhängigkeit vom Speisestrom I mit der Temperatur als Parameter, wie er beispielsweise aus der EP-O2 18 449, Fig. 2, bekannt ist. Für eine Temperatur T1 zeigt die Kennlinie einen Schwellstrom It1, und für die gegenüber Temperatur T1 erhöhte Temperatur T2 einen erhöhten Schwellstrom It2, wobei für die Temperatur T2 eine deutliche Abnahme der Kenn­ liniensteilheit gegenüber der Kennlinie bei der Temperatur T1 für einen Strom oberhalb des jeweiligen Schwellstromes erkennbar ist.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schal­ tungsanordnung. Die Laserdiode LD wird einerseits mit dem Modula­ tionsstrom Imod und andererseits mit dem Vorstrom Ivor versorgt. Der Vorstrom Ivor wird von dem das hohe Potential U_DD aufweisen­ den Anschluß über einen Widerstand R10 und einen PNP-Transistor T4 geliefert. Der Transistor T4 wird an seinem Basisanschluß von einem Operationsverstärker OP4 angesteuert. Der Operationsver­ stärker OP4 ist mit seinem nichtinvertierenden Eingang mit dem Spannungsabgriff eines mit seinen beiden Hauptanschlüssen jeweils mit einem Referenzspannungsanschluß Uref und dem das niedrige Potential U_SS aufweisenden Anschluß verbundenen Trimmerwiderstan­ des R15 verbunden. Der Referenzspannungsanschluß Uref möge ein zwischen den Potentialen U_DD und U_SS liegendes, beispielsweise das halbe Potential aufweisen. Der Referenzspannungsanschluß Uref speist eine Serienschaltung eines Widerstandes R16 und einer mit ihrer Anode mit dem das niedrige Potential U_SS aufweisenden An­ schluß verbundenen Fotodiode PD, die einen Teil des von der Laser­ diode LD abgegebenen Lichtes empfängt. Das an der Kathode der Fotodiode PD anstehende Spannungssignal wird dem nichtinvertie­ renden Eingang eines Operationsverstärkers OP3 zugeführt, der dadurch als Impedanzwandler wirkt, daß sein Ausgangssignal auf seinen nichtinvertierenden Eingang zurückgeführt ist. Das Aus­ gangssignal des Operationsverstärkers OP3 wird über einen Wider­ stand R14 dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstär­ kers OP4 zugeführt. Ein Kondensator C2 ist mit jeweils einem An­ schluß mit dem Ausgang und mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP4 verbunden, wodurch der Operations­ verstärker OP4 ausgangsseitig ein einen Mittelwert bildendes Verhalten für die ihm zugeführten Signale aufweist. Der Opera­ tionsverstärker OP4 wirkt also ausgangsseitig als Integrator für das eingangsseitig zugeführte über der Photodiode anliegende Si­ gnal und für das eingangsseitig zugeführte an dem Timmerwider­ stand abgegriffene Spannungssignal. Der von dem Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP4 angesteuerte Transistor T4 liefert an seinem Kollektoranschluß den Vorstrom Ivor, der umso größer ist, umso kleiner die von der Fotodiode PD empfangene Lichtstärke ist.

Der Modulationsstrom Imod wird von dem das hohe Potential U_DD aufweisenden Anschluß über die Serienschaltung eines nieder­ ohmigen Widerstandes R1, eines PNP-Transistors T3 und eines PNP- Transistors T1 der Laserdiode LD zugeführt. Ein PNP-Transistor T2 ist mit seinem Emitteranschluß mit dem Emitteranschluß des Transistors T1 und mit seinem Kollektoranschluß mit dem das nied­ rige Potential U_SS aufweisenden Anschluß verbunden. Dem Basisan­ schluß der Transistors T2 wird über zwei Dioden D1 und D2 ein Datensignal DATA und dem Basisanschluß des Transistors T1 über zwei Dioden D3 und D4 ein zu dem Datensignal DATA komplementäres Datensignal zugeführt. Die Dioden D1, D2, D3 und D4 können beispielsweise durch handelsübliche Dioden mit der Bezeichnung 1N4148 gegeben sein. Die Basisanschlüsse der Transistoren T1 und T2 sind jeweils über einen Widerstand R8 bzw. R9 mit dem das niedrige Potential U_SS- aufweisenden Anschluß verbunden. Die zueinander komplementären Datensignale DATA bzw. , die von einer nicht näher dargestellten, in ECL (Emitter-Coupled-Logic)- Technologie realisierten Schaltstufe abgegeben werden mögen und deren Datensignalzustände im Mittel gleich verteilt sein mögen, schalten in Abhängigkeit von dem jeweiligen Datensignalzustand einen der Transistoren T1 bzw. T2 leitend, während der jeweils andere sperrt. Daraus wird ersichtlich, daß der Kollektorstrom des Transistors T3 entweder über Transistor T2 zu dem das niedri­ ge Potential U_SS aufweisenden Anschluß oder von Transistor T1 zum Speiseanschluß der Laserdiode geleitet wird.

Die Verbindung des Widerstandes R1 mit dem Emitter des Transi­ stors T3 ist dem nichtinvertierenden Eingang eines Operations­ verstärkers OP1 zugeführt, der dadurch als Impedanzwandler wirkt, daß sein Ausgang mit dem invertierenden Eingang verbunden ist. Der Operationsverstärker OP1 stellt ausgangsseitig ein Si­ gnal zur Verfügung, das dem Strom durch den Widerstand R1 ent­ spricht und das über einen Widerstand R4 dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers OP2 zugeführt wird.

Eine Serienschaltung, die einen Spannungsteiler bildet und die mit einem in seinem Widerstandswert veränderbaren Widerstand R6, einem Widerstand R7 und einem temperaturabhängigen Widerstand NTC gebildet ist, ist mit dem von der Serienschaltung abgewandten Anschluß des Widerstandes R6 mit dem das hohe Potential U_DD auf­ weisenden Anschluß und mit dem von der Serienschaltung abgewandten Anschluß des temperaturabhängigen Widerstandes NTC mit dem das niedrige Potential U_SS aufweisenden Anschluß verbunden. Der tem­ peraturabhängige Widerstand NTC ist räumlich so zur Laserdiode LD angeordnet, daß der temperaturabhängige Widerstand NTC im wesentlichen die Temperatur der Laserdiode annimmt. Dem tempera­ turabhängigen Widerstand NTC ist ein Widerstand R5 parallelge­ schaltet. Die Verbindung des Widerstandes R6 mit dem Widerstand R7 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstär­ kers OP2 verbunden und weist ein mit steigender Temperatur des temperaturabhängigen Widerstandes NTC sinkendes Spannungspoten­ tial auf. Der Zusammenhang zwischen diesem Spannungspotential und der Temperatur der Laserdiode kann für einen vorgegebenen Tem­ peraturbereich durch geeignete Einstellung des Widerstandes R6 und Wahl der Widerstandswerte von Widerstand R5, R7 und dem tem­ peraturabhängigen Widerstand NTC an den erforderlichen Verlauf angepaßt werden. Ein Kondensator C1 ist mit seinen beiden An­ schlüssen jeweils mit dem nichtinvertierenden Anschluß und dem Ausgang des Operationsverstärkers OP2 verbunden, wodurch der Operationsverstärker OP2 für die ihm zugeführten Signale inte­ grierendes Verhalten aufweist. Der Ausgang des Operationsver­ stärkers OP2 ist mit dem Basisanschluß des Transistors T2 ver­ bunden. Der Transistors T3 liefert an seinem Kollektoranschluß einen konstanten Strom in Abhängigkeit von der Einstellung des Widerstandes R6 und der Temperatur des temperaturabhängigen Wi­ derstandes NTC, wobei dieser Strom mit steigender Temperatur des spannungsabhängigen Widerstandes NTC ansteigt.

Die beschriebene Schaltungsanordnung liefert an die Laserdiode LD zum einen einen Vorstrom Ivor in Abhängigkeit von dem an dem Widerstand R15 anliegenden Spannungswert und dem Mittelwert der von der Laserdiode LD abgegebenen Ausgangsleistung, wobei der Vorstrom Ivor so gewählt wird, daß von der Laserdiode LD bei Nichtvorhandensein eines Modulationsstromes Imod ein optisches Ausgangssignal mit geringer Intensität abgegeben wird. Die Schal­ tungsanordnung liefert an die Laserdiode zum anderen einen Modu­ lationsstrom Imod in Abhängigkeit von einem Datensignal, wobei die Amplitude des Modulationsstromes Imod von der Einstellung des Widerstandes R6 und der Temperatur des temperaturabhängigen Widerstandes NTC abhängt.

Vorteilhafterweise wird die durch das Produkt aus dem Widerstands­ wert des Widerstandes R4 und dem Kapazitätswert des Kondensators C1 gegebene Einschwingzeit des Modulationsstromkreises deutlich größer gewählt als die durch das Produkt aus dem Widerstandswert des Widerstandes R14 und dem Kapazitätswert des Kondensators C2 gegebene Einschwingzeit der Vorstromregelung.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zur Stabilisierung des Modulationsgrades der optischen Ausgangsleistung einer Laserdiode (LD), bei der der Laserdiode ein Vorstrom (Ivor) zugeführt wird, dem ein in Abhängigkeit von einem Datensignal (DATA) modulierter Modula­ tionsstrom (Imod) überlagert ist, wobei der der Laserdiode zu­ geführte Strom einen Anteil enthält, der von der Temperatur der Laserdiode abhängt, und einen Anteil, der von der optischen Aus­ gangsleistung (P0) der Laserdiode (LD) abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorstrom (Ivor) in Abhängigkeit von der optischen Aus­ gangsleistung (P0) der Laserdiode (LD) geregelt wird und die Amplitude des Modulationsstroms (Imod) in Abhängigkeit von der Temperatur der Laserdiode (LD) gesteuert wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Laserdiode (LD) mit Hilfe eines, in einen Spannungsteiler eingefügten, temperaturabhängigen Widerstandes (NTC) erfaßt wird.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsabfall über einem niederohmigen Widerstand (R1) als Maß für die Amplitude des Modulationsstromes (Imod) ausge­ wertet wird.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der von einer Stromquelle (SQM) gelieferte Strom, der die Amplitude des Modulationsstromes (Imod) aufweist, von einer Modu­ lationseinrichtung (MOD) in Abhängigkeit von dem Datensignal (DATA) entweder der Leuchtdiode (LD) oder einem Bezugspotential (U_SS) zugeführt wird.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseinrichtung (MOD) mit zwei Transistoren (T1, T2) gebildet ist, die an ihren Steuerelektroden jeweils mit einem zueinander komplementären Datensignal (DATA, ) beaufschlagt sind und denen an ihrem einen Hauptanschluß der von der Strom­ quelle (SQM) gelieferte Strom zugeführt wird, und deren jeweils anderer Hauptanschluß jeweils mit dem Bezugspotential (U_SS) oder dem Speiseanschluß der Laserdiode (LD) verbunden ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschwingzeit des Modulationsstromes (Imod) größer ist als die Einschwingzeit des Vorstromes (Ivor).