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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Schaltung zur Regelung eines von einem Halbleiterlaser
ausgesendeten Signals. Dieses Signal enthält eine mittlere
Sendeleistung, der eine das zu übertragende Signal bildende Modulation
überlagert ist. Die erfindungsgemäße Schaltung bildet eine
Vereinfachung im Vergleich zu den bekannten Schaltungen zur
Regelung der vom Laser ausgesendeten Leistung.
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Das allgemeine Schaltbild eines optischen
Halbleitermoduls oder Laserkopfes ist in Figur 1 dargestellt. Eine
Laserdiode 1 sendet ein optisches Signal hv über eine erste
Seite in Richtung auf eine Lichtleitfaser 2 aus. Dieses
optische Signal beruht auf einer Speiseschaltung 3, die einerseits
eine Gleichspannung V empfängt, die für die Aussendung eines
kohärenten Lichtstrahls durch den Laser erforderlich ist, und
andererseits ein Signal S, das die zu übertragende analoge
oder digitale Nachricht bildet. Der Strom, der den Laser 1
durchquert, wird aber durch die Speiseschaltung 3 geregelt,
die eine Regelfotodiode 4 enthält. Diese Photodiode liegt
gegenüber der zweiten Seite des Lasers 1 und wird vom
rückwärtigen Strahls des Lasers beleuchtet. Sie empfängt also wie die
Lichtleitfaser 2 einen Lichtstrahl, der eine Gleichkomponente
und eine dieser überlagerte analoge oder digitale
Signalkomponente enthält. Das zu übertragende Signal ist natürlich ein
Hochfrequenzsignal im Mikrowellenbereich, da man nicht
Lichtleitfasern zur Übertragung von tiefen Frequenzen bis zu
einigen Megahertz verwendet. Hierfür gibt es nämlich wesentlich
einfachere Lösungen.
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Die Regelfotodiode 4 bildet nur eine
Informationserfassungssonde. Für die Regelung des Lasers 1 muß man diese von
der Photodiode 4 gelieferte Information verstärken. Verwendet
man nur einen einzigen Verstärker, dann muß dieser einen
großen Wert des Produkts aus Verstärkungsgrad und Bandbreite
besitzen. Solche Verstärker besitzen eine erhebliche
Offsetspannung,
die von der Temperatur abhängt. Verwendet man einen
Verstärker für den Mittelwert des Signals und einen Verstärker
für die modulierte Signalkomponente, dann ist es schwer, die
beiden Verstärkungsketten abzugleichen.
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Die erfindungsgemäße Schaltung besitzt einen Schalter
in Reihe mit der Regeldiode. Dieser Schalter wird von dem an
den Laser angelegten Signal, modulierendes Signal genannt, und
dem inversen modulierenden Signal gesteuert, so daß ein
Schaltweg eine Spannung entsprechend der Maximalleistung des
Signals und der andere eine Spannung entsprechend der
Minimalleistung des Signals liefert. Diese beiden Gleichspannungen
können leicht durch einfache Verstärker verstärkt werden.
Ausgehend von diesen beiden Spannungen kann man die
Informationen bezüglich der maximalen Leistung und des
Modulationsgrads leicht berechnen.
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Genauer betrachtet betrifft die Erfindung eine
Schaltung zur Regelung der von einem Halbleiterlaser ausgesendeten
modulierten Leistung mit Hilfe einer Gegenkopplungs-Fotodiode,
die über eine Verstärkungsstufe die Laserspeisung nachregelt,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Fotodiode und der
Verstärkungsstufe ein Schalter mit zwei Ausgängen und zwei
Steuereingängen vorgesehen ist, wobei der erste Steuereingang
das an den Laser angelegte modulierende Signal und der zweite
ein zum vorhergehenden Signal inverses modulierendes Signal
empfängt, so daß ein Ausgang des Schalters eine Spannung
entsprechend der maximalen Sendeleistung des Lasers und der
andere Ausgang eine Spannung entsprechend der minimalen
Sendeleistung des Lasers liefert.
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Das erfindungsgemäße Regelverfahren ist im Anspruch 6
definiert. Verschiedene besondere Ausführungsformen dieser
Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die Erfindung wird nun anhand eines
Ausführungsbeispiels und der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Figur 1 zeigt das allgemeine Regelschema einer
Laserdiode wie oben beschrieben.
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Die Figuren 2 und 3 zeigen zwei bekannte elektrische
Regelschaltungen.
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Figur 4 zeigt in Form eines Blockdiagramms die
erfindungsgemäße elektrische Regelschaltung.
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Figur 5 zeigt im einzelnen den in der
erfindungsgemäßen Schaltung verwendeten Schalter.
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Der Vergleich zweier bekannter Regelschaltungen in den
Figuren 2 und 3 mit der Erfindung macht die Unterschiede klar.
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In allen Figuren 2 bis 5 sind nur die Regel- oder
Gegenkopplungsdiode 4 und die Bauteile zur Verstärkung des von
dieser Diode gelieferten Signals dargestellt, während die
Laserdiode 1 und die Regelschaltung in der Speiseschaltung 3
nicht dargestellt sind.
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Gemäß Figur 2 werden die Gleichkomponente und die
Wechselkomponente des von der Fotodiode 4 ausgesendeten
Signals gleichzeitig im Verstärker 5 verstärkt. Der Verstärker
muß also ein Durchlaßband besitzen, das von der Frequenz Null
bis zur höchsten Frequenz des vom Laser 1 übertragenen Signals
reicht. Am Ausgang dieses Verstärkers 5 teilt ein Filter das
Signal auf zwischen
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- einer Detektorschaltung 6, die als einfacher oder Vollweg-
Gleichrichter ausgebildet ist und ein Bild der
Wechselstrominformation liefert, d.h. die Spannungen Vcr von Spitze zu
Spitze,
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- und einem Integrator 7, der den Mittelwert Vmoy des Signals
entnimmt.
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Ein Verstärker mit großem Durchlaßband, wie z.B. der
Verstärker 5, besitzt aber im allgemeinen eine Offsetspannung
zwischen Eingang und Ausgang, die ganz erheblich ist. Diese
Offsetspannung hängt von Temperaturänderungen ab, die eine
temperaturmäßig nicht stabile Verschiebung des Nullpunkts
ergibt. Wenn der Mittelwert Vmoy des verstärkten Signals nicht
stabil ist, dann kann man ihn nicht in Verbindung mit der
Wechselkomponente verwenden, d.h. mit dem Spitzen-Spitzenwert
Vcr.
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Daher ist es bekannt, die Komponenten getrennt zu
verstärken, wie dies Figur 3 zeigt. Ein RC-Filter, das neben
der Fotodiode 4 liegt, lenkt die Wechselkomponente zu einem
Breitbandverstärker 8, der Vcr liefert, während ein
Gleichstromverstärker 9 das ganze Signal empfängt und den Mittelwert
Vmoy liefert.
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In diesem zweiten Schaltbild ist der Mittelwert Vmoy des
Signals stabil, da er von einem temperaturmäßig stabilen
Gleichstromverstärker 9 geliefert, wird, aber es bleibt ein
Hochfrequenzverstärker 8, dessen Hochfrequenzverstärkungsgrad
temperaturmäßig konstant gehalten werden muß. Außerdem müssen
zwei verschiedene Verstärkungsketten, nämlich eine
Gleichstrom- und eine Hochfrequenzverstärkungskette temperaturmäßig
abgeglichen werden.
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Das Prinzip der erfindungsgemäßen Schaltung erlaubt
es, die Nachteile der Temperaturdrift der Breitbandverstärker
oder die der Abgleichung zweier Verstärkungsketten, von denen
eine eine Hochfrequenz- und die andere eine
Gleichstromverstärkungskette ist, zu vermeiden. Erfindungsgemäß wird der aus
der Gegenkopplungs-Fotodiode 4 kommende Strom so verarbeitet,
daß daraus zwei für die maximale und die minimale
Sendeleistung des Lasers 1 repräsentative Gleichströme entnommen
werden. Durch einfache Verarbeitung (Addition, Subtraktion)
dieser beiden Gleichstromwerte entnimmt man daraus den Mittelwert
1/2(Vmax + Vmin) und den Modulationsgrad oder die
Spitzen-Spitzen-Spannung Vmax - Vmin. Zur Verstärkung werden nur
Gleichstromverstärker verwendet, die nicht die Nachteile der
Hochfrequenzverstärker aufweisen. Der Schalter, der die beiden
Gleichströme auswählt, ist in Figur 4 und im einzelnen in
Figur 5 gezeigt.
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Die Gegenkopplungs-Fotodiode 4 wird vom rückwärtigen
Strahl des Lasers 1 beleuchtet. Dieser Strahl, der durch die
Quantenangabe hν symbolisch angedeutet ist, besteht aus einem
kontinuierlichen Untergrund von kohärentem Licht, der von dem
zu übertragenden Signal moduliert wird. Zur Vereinfachung der
Darstellung wird davon ausgegangen, daß dieses zu übertragende
Signal ein digitales Signal ist. Die Form dieses Signals ist
in Figur 4 rechts von der Fotodiode angedeutet. Es enthält
eine erste Gruppe von Spitzenwerten 10, die der
Maximalleistung der übertragenen Impulse entsprechen, und eine zweite
Gruppe von Spitzenwerten 11, die der Mindestleistung
entsprechen. Im digitalen Betrieb haben alle Impulse den gleichen
Amplitudenwert, und die Gesamtheit der Spitzenwerte 10
entspricht praktisch einem Gleichstrompegel genauso wie die
Gesamtheit der Spitzenwerte 11, die einem anderen
Gleichstrompegel praktisch gleichkommt.
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Aufgabe des Schalters 12 ist es, die beiden
Stromspitzenwerte voneinander zu trennen, damit man sie anschließend
getrennt verarbeiten kann. Er empfängt an seinem einzigen
Eingang den Ausgangsstrom der Gegenkopplungs-Fotodiode 4 und
liefert an jedem seiner Ausgänge einen der beiden
Stromspitzenwerte. Die Umschaltung erfolgt über zwei Steuereingänge 13
und 14, von denen einer das modulierende signal und der
anderen das inverse modulierende Signal empfängt. Im Rahmen eines
nicht beschränkend zu verstehenden Beispiels empfängt der
Steuereingang 13 das modulierende signal 10 und lenkt den
Maximalwert des Stroms zum Ausgang 15, während der
Steuereingang 14 das inverse modulierende Signal 11 empfängt und den
Mindestwert des Stroms an den Ausgang 16 lenkt.
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Zwei gleiche Gleichstromverstärker 17 und 18
verstärken diese beiden Spitzenwertströme und liefern Vmax bzw. Vmin.
Die Verarbeitungskette 19 liefert den Mittelwert Vmoy durch
Addition sowie den Modulationsgrad Vcr durch Subtraktion. Das
elektrische Schaltbild der Schaltung 19 ist bekannt.
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Figur 5 zeigt im einzelnen den Schalter 12. Er besteht
im wesentlichen aus einem Differentialpaar von Transistoren 20
und 21 vom unipolaren oder bipolaren Typ und entweder vom NPN-
oder vom PNP-Typ. Ein Transistor 22, der sich am Eingang des
Schalters befindet, setzt die Eingangsimpedanz aus der Sicht
der Fotodiode 4 herab, wodurch das Durchlaßband des Schalters
vergrößert wird. Zwei Widerstände 23 und 24 eines Werts
zwischen 1 und 10 kX, die in Reihe mit den Transistoren 20 und 21
geschaltet sind, wandeln den Strom der Fotodiode 4 in ein
Ausgangssignal Vmax bzw. Vmin um, das an den Ausgängen 15 und 16,
d.h. den gemeinsamen Punkten zwischen den Widerstände 23 und
24 und den Transistoren 20 und 21 abgenommen wird. Zwei
Kondensatoren 25 und 26 parallel mit den Widerständen 23 und 24
integrieren die Ausgangssignale zwischen zwei Impulsen.
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An die Steuerelektrode, nämlich die Basiselektrode
oder das Gate eines der Transistoren des Differentialpaars
wird das den Laser 1 modulierende Signal angelegt, z.B. an den
Transistor 20. In diesem Fall wird das inverse modulierende
Signal an den Transistor 21 angelegt. Die Inversionsschaltung
ist nicht dargestellt, aber bekanntlich reicht dafür ein
einziger Transistor. Wenn das Spitzensignal 10 den Transistor 20
leitend macht, sperrt in diesem Augenblick das invertierte
Signal des Spitzensignals 10 den Transistor 21, je nach dem
Typ der Transistoren 20 und 21. Der Ausgang 15 liefert ein
Signal Vmax und der Ausgang 16 ist gesperrt. Im nächsten
Augenblick macht das invertierte Signal des Spitzenwerts 11 den
Transistor 21 leitend, während das Signal des Spitzenwerts 11
den Transistor 20 sperrt. Der Ausgang 16 liefert ein Signal
Vmin, und der Ausgang 15 ist gesperrt.
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Eine andere Art, um einen Wechselbetrieb des
Differentialpaars von Transistoren zu erhalten, besteht darin, die
Steuerelektrode eines der Transistoren, z.B. des Transistors
21, mit einer Festspannung vorzuspannen, die Massepotential
sein kann, und an die Steuerelektrode des anderen Transistors
20 das den Laser modulierende Signal ±S anzulegen.
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Diese Regelschaltung arbeitet genauso, wenn das vom
Laser 1 übertragene Signal ein Analogsignal ist. Die beiden
Transistoren 20 und 21 leiten abwechselnd und schalten in
einem Punkt des Analogsignals um, der von ihren eigenen
Kennwerten abhängt, zum Beispiel von ihrer cut-off-Spannung. Die
Umschaltung kann weniger deutlich als im digitalen Betrieb
erfolgen, wenn das Analogsignal relativ flach ist und nahe
beim Mittelwert verläuft. Dann besitzen das modulierende
Signal und das inverse Signal nahezu den gleichen Wert.
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Bei einer digitalen Übertragung ist jedoch der
Temperatureinfluß äußerst gering, und es gibt keine Offsetprobleme.
Die beiden Kanäle sind identisch und die Komponenten Vcr und
Vmoy werden ausgehend von stabilen Werten Vmax und Vmin
erarbeitet. Außerdem ergibt die Struktur der Verstärkungsstufe ein
breites Durchlaßband aufgrund des Fehlens des Miller-Effekts,
und schließlich wird die Regelung eines Lasers aufgrund der
Verwendung zweier Gleichspannungen am Ausgang einfacher.
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Die Erfindung ist im Bereich der Fernmelde- und
Datenübertragungstechnik über Lichtleitfasern anwendbar.