DK173749B1 - Optisk sender - Google Patents

Description

i DK 173749 B1

Denne opfindelse angår en optisk sender omfattende en laserdiode, der i afhængighed af en elektrisk strøm gennem laserdioden kan udsende et optisk signal, hvor den elektriske strøm består af et bias-bidrag og et af et infor-5 mationssignal frembragt modulationsbidrag; en fotodetektor, der kan detektere det optiske signal og udsende et elektrisk monitorsignal i afhængighed af det optiske signal; en første reguleringssløjfe, som er indrettet til at styre størrelsen af bias-bidraget af den elektriske strøm 10 gennem laserdioden i afhængighed af det elektriske monitorsignal; en anden reguleringssløjfe, som er indrettet til at styre størrelsen af modulationsbidraget af den elektriske strøm gennem laserdioden i afhængighed af det elektriske monitorsignal; hvor den anden reguleringssløj-15 fe omfatter en første transimpedansforstærker, som har en lav indgangsimpedans, og hvor det elektriske monitorsignal er forbundet til en indgang på denne transimpedansforstærker 20 I optiske kommunikationssystemer anvendes lasersendere til at omsætte et elektrisk informationssignal til et optisk informationssignal, der kan overføres fra lasersenderen til en modtager via en transmissionsforbindelse. Laserdioder, der anvendes i lasersendere til transmission 25 af digitale signaler, benyttes i almindelighed til at afgive et optisk signal, der skifter mellem et højt niveau og et lavt niveau som en følge af modulation med et datasignal. Datasignalet kan derefter uddrages fra det optiske signal i en modtager. Det foretrækkes almindeligvis 30 at opretholde et konstant niveau for den optiske udgangseffekt, og det høje og lave niveau for det optiske signal i modtagerenden bør være adskilt med et passende antal dB, for at datasignalet kan uddrages af modtageren.

35 Laserens udgangseffekt styres ved styring af strømmen gennem laserdioden. Det er velkendt, at korrelationskur- 2 DK 173749 B1 ven mellem strømmen gennem laserdioden og udgangseffekt er ulineær. Denne korrelationskurve benævnes også laserdiodens karakteristik og tilnærmes rimeligt af en knækkurve med et knæk ved laserdiodens såkaldte tærskelstrøm.

5 Laserdiodens karakteristik, hvor strømmen er angivet langs x-aksen og optisk udgangseffekt langs y-aksen, kan for strømme gennem laserdioden mindre end tærskelstrømmen, beskrives som en første lineær kurve med en relativt lille hældning. For strømme gennem laserdioden større end 10 tærskelstrømmen, kan knækkurven beskrives som en anden lineær kurve med en relativt stor hældning. Hældningen af den anden del af knækkurven betegnes almindeligvis som "slope efficiency". Da laserdioden ikke udsender et tilpas smalspektret lyssignal, det vil sige et rent laser-15 signal, for strømme gennem laserdioden mindre end tærskelstrømmen, foretrækkes det at styre laserdioden med strømme større end tærskelstrømmen. Hvis strømmen gennem laserdioden i blot relativt kort tid er mindre end tærskelstrømmen vil der gå relativt lang tid før laserdioden 20 igen udsender et rent lasersignal. Ved transmission af højfrekvente datasignaler styres laserdioden derfor med strømme større end tærskelstrømmen for ikke at udsende et forvrænget optisk signal som følge af denne træghed eller tidsforsinkelse.

25 Når de parametre, der bestemmer knækkurven, er bestemt, for eksempel baseret på en måling af samhørende værdier mellem strøm og optisk udgangseffekt for laseren, er det nemt at udforme et styresystem, der kan forsyne laserdio-30 den med passende strømniveauer. Ved passende strømniveauer forstås niveauer, hvor laserens høje og lave optiske niveau er adskilt som nødvendigt, det vil sige at der er en passende modulationsdybde, medens gennemsnitsniveauet holdes på en ønsket værdi. Mere præcist er modulations-35 dybden defineret som forholdet mellem de effekter, der udsendes ved henholdsvis højt og lavt niveau.

3 DK 173749 B1

Halvlederlasere er imidlertid karakteriseret ved, at de er følsomme over for ældningsfænomener og temperaturændringer. Laserens parametre, for eksempel værdierne for 5 tærskelstrømmen og slope efficiency, kan således variere ganske betragteligt.

Det er velkendt at kompensere for temperaturpåvirkninger af laseren ved at montere laseren i forbindelse med et 10 termoelement, for eksempel et peltier-element, måle laserens temperatur og holde denne konstant ved henholdvis at tilføre eller fjerne varmeenergi fra laseren ved hjælp af termoelementet. Denne løsning er imidlertid uhensigtsmæssig, da den er mekanisk kompliceret at implementere i ud-15 styr, der må kunne tolerere vibrationer og lignende. Endvidere kræver denne løsning en del plads i den fysiske konstruktion.

Nogle typer af halvlederlasere er forsynet med en moni-20 tor-diode i form af en fotodiode, der kan overvåge det optiske signal, der udsendes fra lasersenderen. Monitordioden kan forspændes med en spænding i monitor-diodens spærreretning sådan, at der i monitor-dioden genereres en strøm, i det følgende benævnt monitor-strømmen, der i det 25 væsentlige er proportional med det signal, laserdioden udsender. Monitor-dioden er blandt andet karakteriseret ved, at størrelsen af den monitor-strøm, der genereres per lysmængde, er ligefrem proportional med en strømfaktor. For at opnå en god følsomhed for monitor-dioden 30 ønskes det at forspændingen er passende stor. Endvidere har sådanne monitor-dioder en given indre kapacitet, som umiddelbart giver anledning til en relativt lille båndbredde for monitor-dioden. Imidlertid er det sådan at denne kapacitet reduceres med øget forspænding. Generelt 35 set ønskes det derfor at påtrykke en relativt stor forspænding over monitor-dioden.

4 DK 173749 B1

Fra patentskrifterne US 5,153,765 og GB 2,258,753 kendes en anden løsning, hvor denne monitor-diode udnyttes. Løsningen er baseret på at katoden af monitor-dioden er for-5 bundet til en indgang på en transimpedansforstærker, som har en lav indgangsimpedans. Transimpedansforstærkeren har en udgang, hvor der kan måles en udgangsspænding proportional med laserdiodens optiske udgangssignal. Endvidere overlejres det datasignal, som lasersenderen skal 10 udsende, med et pilottonesignal. I udgangssignalet fra transimpedansforstærkeren er der således et bidrag som korrelerer med pilottonesignalet. Dette bidrag detekteres via transimpedansforstærkeren og et båndpasfilter. Bidraget indgår i styring af modulationsdybden af det optiske 15 signal fra laserdioden ved hjælp af en reguleringssløjfe. Middelværdien af laserdiodens optiske udgangssignal detekteres ved hjælp af transimpedansforstærkeren og et lavpasfilter, som indgår i styring af størrelsen af et bias-bidrag til laserdioden, således at laserdioden sty-20 res med strømme større end tærskelværdien.

Denne løsning har den væsentlige ulempe, at pilottonesignalet, der er overlejret på det optiske udgangssignal fra lasersenderen, kan forårsage fejldetektion af datasigna-25 let i en modtager eller forårsage problemer andre steder i kommunikationssystemet. Dette vil være særligt sandsynligt, hvis datasignalet, blot i perioder, har en spektral komponent ved pilottonefrekvensen, da der derved vil dannes en spektral komponent ved pilottonefrekvensen, med en 30 størrelse som kan forårsage uforudsigelige forstyrrelser af transmission og detektion af datasignalet. Endvidere kræver denne løsning respektive filtre, der indgår i styring af middelværdi og modulationsdybde for det optiske udgangssignal. Løsningen vil således omfatte relativt 35 komplicerede delkredsløb og tilmed optage en del plads i et fysisk kredsløb.

DK 173749 B1 5

En tredje velkendt løsning til at kompensere for temperaturpåvirkninger af laseren er baseret på, at katoden af monitor-dioden er forbundet til et spasndingspotantiale, 5 for eksempel en forsyningsspænding, via en ekstern modstand. Den strøm, der løber i monitor-dioden, giver således anledning til en spænding, som kan detekteres, over den eksterne modstand. Denne spænding anvendes som følersignal til en reguleringssløjfe, der kan styre middelvær-10 dien af strømmen gennem laseren og dermed middelværdien af det optiske udgangssignal. Denne løsning er dog uhensigtsmæssig, idet den eksterne modstand vil have en vis spredningskapacitet, som vil afkoble en del af monitorsignalets AC-komponent. Dette forhold vil begrænse den 15 samlede båndbredde af modstand og monitor-diode. Løsningen er derfor kun velegnet til detektion af relativt lavfrekvente komponenter i monitor-signalet og giver dermed kun anledning til styring af middelværdien af laserens optiske udgangssignal i en højhastigheds optisk sender.

20 I det følgende antages monitor-strømmen at have en AC- og en DC-komponent, hvor der med DC-komponent forstås et relativt langsomt varierende eller konstant signal, der indeholder information om middelværdien af laserdiodens op-25 tiske udgangseffekt, og hvor der med AC-komponent forstås et relativt hurtigt varierende signal, der indeholder information om modulationsdybden.

Det er derfor et formål med opfindelsen at kunne detekte-30 re monitor-signalet således at DC-komponenten kan detekteres samtidigt og uafhængigt af AC-komponenten for derved, på simpel vis, at kunne benytte disse komponenter som følersignaler i respektive reguleringssløjfer, der kan kompensere for drift af laserens parametre.

35 6 DK 173749 B1

Dette opnås når den første reguleringssløjfe omfatter en strømstyret kilde, og når det elektriske monitorsignal er forbundet til en indgang på denne strømstyrede kilde.

5 Derved opnås det , at både middelværdien og modulationsdybden for det optiske signal udsendt fra laserdioden holdes konstant uafhængigt af hinanden. Denne løsning er simpel at opbygge da monitor-signalets AC- og DC-kompo-nent detekteres hver for sig og dermed reducerer komplek-10 siteten af det samlede kredsløb. Endvidere kræver denne løsning kun ringe plads i et fysisk kredsløb.

I en foretrukken udførelsesform er den strømstyrede kilde er en strømstyret strømkilde. Dette er særlig hensigts-15 mæssigt, da der dermed tilvejebrignes et signal som kan sammenlignes direkte med monitorsignalet.

I en speciel foretrukken udførelsesform er den strømstyrede strømkilde et strømspejl. Dette er særligt hensigts-20 mæssigt, da strømspejlet har en relativt lav båndbredde og dermed automatisk filtrerer højere frekvenser fra det dermed spejlede monitorsignal.

Med henblik på at fastholde af en konstant og tilstrække-25 lig stor forspænding over monitordioden har den første transimpedansforstærker, i en foretrukken udførelsesform, et indgangstrin af jordet-emitter type. Dermed opnås det, at monitordioden belastes af en lav impedans samtidig med, at det er muligt at etablere en konstant og til-30 strækkelig stor forspænding over monitordioden, således at en stor båndbredde opnås.

I en speciel udførelsesform er det hensigtsmæssigt, at den første reguleringssløjfe omfatter en anden transimpe-35 dansforstærker, koblet til at modtage et strømsignal proportionalt med det elektriske monitorsignal ved hjælp af 7 DK 173749 B1 den strømstyrede strømkilde. Dermed kan strømsignalet fra strømkilden omsættes til en spænding.

En simpel styring af laserdiodens optiske middeludgangs-5 effekt opnås, i en foretrukken udførelsesform, hvis den første reguleringssløjfe yderligere omfatter en regulator koblet til at modtage et signal fra nævnte transimpedansforstærker samt til at udsende et bias-styresignal, der kan benyttes til styring af nævnte laserdiode.

10

For at opnå et stabilt signal, der kan repræsentere modulationsdybden i det optiske signal, foretrækkes det, at den anden reguleringssløjfe omfatter en spids-til-spids-værdidetektor koblet til at modtage et signal fra nævnte 15 første transimpedansforstærker. Dermed genereres et signal, der kan repræsentere modulationsdybden i det optiske signal, uanset hvilken duty-cycle et aktuelt modulationssignal har.

20 En simpel styring af laserdiodens optiske modulationsdybde opnås, i en foretrukken udførelsesform, ved at den anden reguleringssløjfe yderligere omfatter en regulator koblet til at modtage et signal fra nævnte spids-til-spidsværdidetektor samt til at udsende et modulationssty-25 resignal, der kan benyttes til styring af nævnte laserdiode .

I en speciel udførelsesform er den strømstyrede kilde er en strømstyret spændingskilde, derved opnås det elektri-30 ske monitorsignal omsættes til en spænding, som kan benyttes som indgangssignal til en regulator.

Opfindelsen vil nu blive forklaret under henvisning til tegningen, hvor 35 DK 173749 B1 8 fig. 1 viser et blokdiagram for en foretrukken udførelsesform for opfindelsen; fig. 2 viser den optiske udgangseffekt for en laserdiode 5 som funktion af strømmen gennem laserdioden og laserdiodens temperatur, når denne ikke er temperaturreguleret og forsynes med variabel pulsstrøm ifølge opfindelsen; fig, 3 viser et strømspejl; 10 fig. 4 viser en transimpedansforstærker med jordet-emitter-indgangstrin; fig. 5 viser en styret strømkilde; og 15 fig. 6 viser den optiske udgangseffekt for en laserdiode som funktion af strømmen gennem laserdioden og laserdiodens temperatur, når denne ikke er temperaturreguleret og forsynes med konstant pulsstrøm.

20

Fig. 1 viser et blokdiagram for en foretrukken udførelsesform for opfindelsen, hvor der indgår en laserdiode 1, som kan afgive lys, hvorpå der er moduleret et kommunikationssignal, og en fotodiode 2, som benyttes som monitor-25 diode, dvs. til overvågning af det fra laserdioden afgivne lys. Formålet med fotodioden er at muliggøre en regulering af det fra laserdioden udsendte lys. Blokdiagrammet omfatter en første reguleringssløjfe, som holder middelværdien af det optiske signal konstant, og en anden 30 reguleringssløjfe, som holder modulationsdybden konstant. Reguleringssløjferne uddrager relativ lavfrekvent middelværdiinformation og relativ højfrekvent pulsinformation fra det optiske signal ved hjælp af monitordioden 2, via henholdsvis et såkaldt strømspejl 7 og en transimpedans-35 forstærker 14.

DK 173749 B1 9

Laserdioden 1 er monteret sådan, at den kan udsende lys gennem en optisk fiber 15, og sådan, at monitordioden 2 kan detektere et optisk signal svarende til det signal, der sendes gennem den optiske fiber 15. Laserdioden 1 og 5 monitordioden 2 er typisk monteret i samme hus 16, for eksempel i et hus af typen dual-inline (DIL). Monitordioden 2 kan betragtes som en strømgenerator, der belastes af to kredsløb, nemlig transimpedansforstærkeren 14 og strømspejlet 7 bestående af transistorerne TI og T2. Ved 10 at belaste monitordioden på denne måde ifølge opfindelsen opnås det, at høj- og lavfrekvente komponenter fra strømgeneratoren, i form af monitordioden 2, kan detekteres separat og dermed simplificere den efterfølgende signalbehandling.

15 I det følgende beskrives den reguleringssløjfe, der holder middelværdien af laserens optiske udgangssignal konstant. Monitordiodens anode er forbundet til kollektor og basis af transistoren TI. Basis af TI er forbundet til 20 basis af T2, og emitter af T2 er forbundet til emitter af TI, Endvidere er den derved fælles emitter forbundet til en passende negativ forsyningsspænding -V, for eksempel -5 volt, i forhold til en fælles reference G. I praksis vil dette ske gennem en seriemodstand med en ohmsk mod-25 stand på for eksempel 200 ohm. Dermed bidrager strømspejlet 7 til forspænding af monitordioden 2, idet monitordiodens anode får påtrykt et spændingspotentiale på den negative forsyningsspænding plus basis-emitterspændingsfal-det over TI. Koblingen af TI og T2 holder således et 30 spændingspotentiale på cirka -4,3 volt på monitordiodens anode, hvis -V er -5V.

Det skal her bemærkes, at en sådan kobling har en relativ lav båndbredde i forhold til den båndbredde, der kan de-35 tekteres med monitor-dioden. Med denne begrænsede båndbredde spejles strømmen fra monitor-dioden til en kollek- DK 173749 B1 10 tor-strøm i transistoren T2, Størrelsen af den strøm IM, der løber gennem monitordioden/ vil ved passende forspænding således svare til størrelsen af den strøm, der løber gennem kollektor af T2, og koblingen betegnes derfor også 5 som et strømspejl.

Kollektor af T2 er forbundet til en transimpedansforstærker 4 bestående af en operationsforstærker 3 med en forstærkning -Al og en tilbagekoblingsmodstand RI. Spændin-10 gen V4 på udgangen af transimpedansforstærkeren er således V4 = -RI IK, 15 idet det antages at indgangsimpedansen af operationsforstærkeren er stor. Udgangen af transimpedansforstærkeren 4 er koblet til en regulator 6, bestående af R2, Cl og operationsforstærkeren 5 med forstærkningen A2. Operationsforstærkeren 5 har en inverterende indgang (-) og en 20 ikke-inverterende indgang (+). Udgangen af transimpedansforstærkeren 4 er koblet til den inverterende indgang (-) på operationsforstærkeren 5 via modstanden R2 og udgør dermed et følersignal til regulatoren 6. Operationsforstærkeren 5 er tilbagekoblet ved hjaalp af kondensatoren 25 Cl, der er forbundet fra udgangen af operationsforstærkeren til den inverterende indgang (-) „ På den ikke inverterende indgang (+) kan der indstilles en referenceværdi Ib_set svarende til en ønsket optisk middelværdi. Regulatoren 6 danner dermed et styresignal, som påtrykkes en 30 spændingsstyret strømkilde 8, der er forbundet til katoden af laserdioden 1 og den fælles reference G. Den spændingsstyrede strømkilde 8 frembringer dermed et strømbidrag Ibias til styring af laserdioden 1. Laserdiodens anode er forbundet til den fælles reference G, hvor poten-35 tialet af G defineres at være 0 volt.

DK 173749 B1 11

Reguleringssløjfen bestående af monitordioden 2, strømspejlet 7, transimpedansforstærkeren 4, regulatoren 6, den styrede strømkilde 8 og laserdioden 1 gør det således muligt at holde middelværdien af strømmen gennem laserdi-5 oden konstant under en given båndbredde for sløjfen. Laserdiodens optiske middeludgangseffekt reguleres dermed af en regulator i form af regulatoren 6.

I det følgende beskrives den reguleringssløjfe, der hol-10 der modulationsdybden af laserens optiske udgangssignal konstant. Med henblik på at kunne detektere størrelsen af de optiske signaler (pulser), som laserdioden 1 udsender som følge af, at den moduleres med et informationssignal DATA, er monitordiodens katode forbundet til indgangen af 15 en transimpedansforstærker 14. Udgangen af transimpedansforstærkeren 14 er koblet til en spids-til-spidsvær-didetektor 12 via en kondensator C3, der fungerer som DC-blokering.

20 Da laserdioden moduleres ved relativt høje frekvenser er det nødvendigt at transimpedansforstærkeren 14 og spids-til-spidsværdidetektoren 12 kan følge med ved disse relativt høje frekvenser. Transimpedansforstærkeren 14 består af forstærkeren 13 med en forstærkning -A4 og en tilbage-25 koblingsmodstand R4. Spændingen V14AC mellem kondensatoren C3 og spids-til-spidsværdidetektoren 12 er således

V14ac = -R4 IK

30 under forudsætning af, at indgangsimpedansen af operationsforstærkeren er stor. Når forstærkningen i forstærkeren 13 er stor, kan indgangsimpedansen Rin af transimpedansforstærkeren 14 tilnærmes som 35 Rin = R4/A4.

DK 173749 B1 12

Denne størrelse vil typisk være lille; det vil sige, at den i praksis kan gøres mindre end 10 ohm. Dermed belastes monitordioden af en lille impedans, og dette giver således ikke anledning til en betydende båndbreddereduk-5 tion. En speciel hensigtsmæssig transimpedansforstærker kan konstrueres med et jordet-emitterindgangstrin. Derved opnås det, at monitordioden 2 belastes med en lille impedans samtidig med, at den har en konstant og tilpas høj forspænding, da DC-spændingspotentialet på indgangen af 10 denne transimpedansforstærker svarer til et basis-emitterspændingsfald. Dette vil blive forklaret senere.

Det er således muligt at detektere relativt høje frekvenser med monitordioden 2, da monitor-diodens indre kapacitet er reduceret af den tilpas høje forspænding.

15

Med henblik på at modificere det elektriske signal, som laseren 1 moduleres med, er det kun AC-variationen i det signal, som monitordioden detekterer, der er interessant.

Denne variation uddrages ved hjælp af DC-blokeringen i 20 form af kondensatoren C3 og spids-til-spidsværdidetek- toren 12. Udgangen af spids-til-spidsværdidetektoren 12 er koblet til en regulator 11, bestående af R3, C2 og operationsforstærkeren 10 med forstærkningen A3. Operationsforstærkeren 10 har en inverterende indgang {-) og en 25 ikke-inverterende indgang ( + ) . Den inverterende indgang er koblet til udgangen af spids-til-spidsværdidetektoren via modstanden R3. Operationsforstærkeren 10 er tilbagekoblet ved hjælp af kondensatoren C2, der er forbundet fra udgangen af operationsforstærkeren til den inverte-30 rende indgang (-). På den ikke inverterende indgang (+) kan der indstilles en referenceværdi svarende til en ønsket pulsstrøm forårsaget af et modulationssignal. Regulatoren 11 danner dermed et kontrolsignal gm som påtrykkes en spændingsstyret strømkilde 9. Strømkilden 9 kan 35 yderligere moduleres af et datasignal DATA. Strømkilden er forbundet til katoden på laserdioden 1 og den fælles DK 173749 B1 13 reference G og bidrager med en strøm Imod? til styring af laserdioden 1.

Den totale strøm gennem laserdioden 1 består således af 5 et bidrag fra henholdsvis den reguleringssløjfe, der fastholder den optiske middeludgangseffekt, og af et bidrag fra den reguleringssløjfe, der fastholder modulationsdybden, det vil sige Ibias plus IMOd· 10 Fig. 2 viser den optiske udgangseffekt P for en laserdiode som funktion af strømmen gennem laserdioden IL og laserdiodens temperatur, når denne ikke er temperaturreguleret og forsynes med variabel pulsstrøm ifølge opfindelsen. Kurveskaren Ip{-5C), Ip(+25C) og Ip(+85C) er opteg-15 net for en laserdiode, ved temperaturerne -5°C, +25°C og +85°C, styret af et kredsløb ifølge opfindelsen, for eksempel kredsløbet angivet på fig. 1. Laserdioden befinder sig dermed i et lukket sløjfe reguleringssystem, hvor både middelværdien af det optiske signal fra laserdioden og 20 modulationsdybden holdes konstant. Der indstilles en biasstrøm Ib_set til laserdioden 1, således at en ønsket optisk middelværdi Pavg opnås. Derefter indstilles en pulsstrøm Ip_set, således at et forventet maksimumsniveau for den optiske udgangseffekt P"l" kan realiseres og så-25 ledes at et forventet minimumsniveau for den optiske udgangseffekt P"0" kan realiseres. Den pulsstrøm lp(S), der dermed forårsages af et datasignal DATA, giver en passende modulationsdybde. Dette er illustreret med de optiske signaler OP-5-V, OP25-V og OP85-V, der har stort set sam-30 me middelværdi Pavg og en modulationsdybde tæt på det maksimale.

Ved temperaturen 85°C er laserdiodens virkningsgrad S faldet betragteligt i forhold til ved 25°C. For at opret-35 holde en konstant modulationsdybde i det optiske signal øges pulsstrømmen derfor fra Ip(S25) til Ip(S85).

DK 173749 B1 14

Ved temperaturen -5°C er laserdiodens virkningsgrad S tilsvarende steget betragteligt i forhold til ved 25°C.

For at opretholde en konstant modulationsdybde i det op-5 tiske signal reduceres pulsstrømmen fra Ip(S25) til Ip(S- 5) .

Fig. 3 viser et strømspejl. Strømspejlet består af to bipolare transistorer T31 og T32, der hver har en basis-, 10 emitter- og kollektorterminal. Basis af T31 er koblet til basis af T32 og emitter af T31 er koblet til emitter af T32. Den derved fælles basisterminal er forbundet til kollektor af T31, som også er forbundet til en forsyningsspænding Vk via en modstand Rkl. Den fælles emitter-15 terminal er forbundet til en passende forsyningsspænding Ve således at der opstår en basis-emitterspænding over transistoren T31 og således at der kan løbe en strøm Ikl. Sammenlignet med strømspejlet på fig. 1 svarer Ikl til strømmen gennem monitor-dioden. På grund af kortslutnin-20 gen af basis og emitter på T31 er T31 i en såkaldt mættet tilstand og fungerer som diode. Kollektor af transistoren T32 er forbundet til en belastningsmodstand Rk2, hvor igennem der vil løbe en strøm Ik2 i det væsentlige lig med strømmen Ikl. Hvis bf er transistorernes strømfor-25 stasrkning kan Ik2 skrives som en funktion af Ikl:

Ik2=bf/(2+bf)Ikl hvilket gældet tilnærmet for bf » 1 og for relativt lave 30 frekvenser, da strøm-overføringsfunktionen Ik2/Ikl for koblingen af T31 og T32 har en relativt lav båndbredde.

Strømspejlet i fig. 3 kan alternativt erstattes af en såkaldt Widlar-strømkilde, et Wilson-kredsløb, en kaskade-35 strømkilde eller andre alternativer, der har det træk, at en indgangsstrøm omsættes til en udgangsstrøm eller - DK 173749 B1 15 spænding, eventuelt med en vis forstærkning, og med en relativt lav båndbredde.

Fig. 4 viser en transimpedansforstærker med et jordet-5 emitter-indgangstrin. Transimpedansforstærkeren er opbygget af et spændingsforstærkende trin bestående af T41 og R41, koblet til et strømforstærkende trin i form af T42 via modstanden R42. Transimpedansforstærkeren er modkoblet med en strømtilbagekobling i form af modstanden R43.

10

Indgangssignalet til forstærkeren er i form af en strøm li, der løber via indgangsterminalen I. Med den rimelige antagelse, at den del af strømmen IA, der løber gennem modstanden R43 er meget større end den strøm, der løber 15 ind i basis af T41 er forstærkningen af transimpedansforstærkeren i det væsentlige bestemt af R43. Den del af udgangsspændingen der skyldes indgangsstrømmen li kan således bestemmes som li multipliceret med den ohmske værdi af R43. R43 kaldes derfor også for transimpedansen.

20

Dioderne D41 og D42 bidrager sammen med basis- emitterspændingsfaldet i T42 til at etablere et passende arbejdspunkt for T41. Kondensatoren C41 fungerer som en høj-frekvens kortslutning af dioderne. Modstanden R44 25 medvirker til at etablere et arbejdspunkt for transistoren T42. Kondensatoren C42 fungerer som DC-blokering og modstanden R45 fungerer blot som belastningsmodstand.

-V, +V og G betegner henholdsvis en negativ forsynings-30 spænding, en positiv forsyningsspænding og et fælles stel-potentiale, som defineres til at være 0 volt.

AC-variationen af indgangs-strømsignalet li omsættes således til en spænding, der kan måles på udgangsterminalen 35 U.

16 DK 173749 B1

Denne forstærker foretrækkes, da den har en lav indgangsimpedans, og dermed gør det muligt at detektere relativt høje frekvenser i kombination med monitor-dioden 2 på fig. 1.

5

Endvidere foretrækkes denne transimpedansforstærker i kombination med strømspejlet 7 på fig. 1, da det spændingsfald, der er over basis-emitterstrækningen i T41 udkompenserer det spændingsfald der er over basis-10 emitterstrækningen i TI på fig. 1, og dermed kan monitordioden 2 forspændes med fuld forsyningsspænding -V.

Fig. 5 viser en styret strømkilde. Den viste strømkilde er en foretrukken og mere detaljeret udførelsesform for 15 den styrede strømkilde 9 på fig. 1. Den strømstyrede kilde er opbygget som et differentialtrin bestående af T51 og T52 med et bias-kredsløb i form af T53. T51 og T52 er koblet til at modtage henholdsvis signalet DATA og en negeret version DATA af signalet DATA, der er signaler med 20 de logiske niveauer "1" og "0". Kollektor af T51 er koblet til forsyningsspændingen +V via modstanden R51. Kollektor af T52 er koblet til katoden af laserdioden 1 på fig. 1, for dermed at bidrage med modulationsstrømmen IMOD. Transkonduktansen af den differentielle kobling af 25 T51 og T52 styres af signalet gm via transistoren T53.

Fig. 6 viser optisk udgangseffekt for en laserdiode som funktion af strømmen gennem laserdioden og laserdiodens temperatur, når denne ikke er temperaturkompenseret og 30 forsynes med konstant pulsstrøm. Dette svarer til at styre laserdioden som angivet med kredsløbet på fig. 1, men med reguleringssløjfen omfattende transimpedansforstærkeren 14 afbrudt således at strømmen IHod kun afhænger af signalet DATA.

35 DK 173749 B1 17

Kurveskaren Ip(-5C)/ Ip(+25C) og Ip(+85C) er optegnet ved temperaturerne -5°C, +25°C og + 85°C. Reguleringssystemet er nu indrettet således, at der ved hjælp af reguleringssløjfen kan indstilles en ønsket bias-strøm Ib_set for 5 laserdioden. Bias-strømmen IBias til laserdioden reguleres i afhængighed af laserdiodens optiske udgangseffekt, således at udgangseffekten holdes konstant. Laserdioden kan moduleres med et datasignal bestående af logiske ettaller og nuller i form af en sekvens af elektriske pul-10 ser med en given amplitude. Reguleringssystemet er et åbent sløjfe system i den forstand, at der ikke er nogen kobling fra den optiske effekt, der udsendes af laserdioden, til den modulation den udsættes for, det vil sige til amplituden af de elektriske pulser.

15

De tre kurver Ip(-5C), Ip(+5C) og Ip(+85C) indikerer, hvordan laserdioden ændrer karakteristik afhængig af temperaturen. De kraftige knæk på kurverne indikerer laserdiodens tærskelværdi for en given temperatur. Når der ved 20 en given temperatur gennem laserdioden løber en strøm, der er større end tærskelværdien, udsendes stimuleret emission, og laserdioden fungerer dermed som en laser.

Under tærskelværdien udstråler laserdioden spontan emission og fungerer derved nærmest som en lysdiode.

25

Til de fleste kommunikationsformål er det laserdiodens virkning som laser, der er interessant og laserdioden moduleres derfor i det område, hvor den fungerer som laser, det vil sige at den styres med en strøm større end tær-30 skelstrømmen. For strømme, gennem laserdioden, der er større end tærskelværdien er der en tilnærmelsesvis lineær sammenhæng mellem diodestrøm og optisk udgangseffekt.

Denne sammenhæng betegnes laserdiodens virkningsgrad (eng.: slope efficiency), S. Virkningsgraden afhænger li-35 ge som tærskelværdien kraftigt af laserdiodens temperatur. I praksis kan virkningsgraden variere med mere end DK 173749 B1 18 en faktor på 2. Dette kan ses af figuren, idet hældningen af de tre kurver i "laserområdet" er forskellig. Reguleringssløjfen for bias-strømmen indstilles således, at laserdioden afgiver en valgt optisk middeleffekt, Pavg. Am-5 plituden af modulationssignalet vælges netop sådan, at der opnås maksimal modulationsdybde, uden at der opstår forvrængning af udgangssignalet.

Det optiske signal OP25-K svarende til den nævnte ind-10 stillingsprocedure ved temperaturen 25°C er uforvrænget og har samtidig en maksimal modulationsdybde. Dette vil imidlertid ændre sig når temperaturen henholdsvis stiger eller falder. Ved temperaturen +85°C er laserdiodens virkningsgrad blevet så ringe, at reguleringssystemet må 15 øge bias-strømmen voldsomt for at opretholde en given optisk middeleffekt. Denne store bias-strøm medfører, at det tilsvarende optiske signal OP85-K får en væsentlig DC-komponent. Denne DC-komponent samtidig med en ringe modulationsdybde forringer sandsynlicjheden for at detek-20 tere det datasignal, som senderen afsender, fejlfrit i en modtager.

Ved temperaturen -5°C er laserdiodens virkningsgrad til gengæld steget, og tærskelværdien er faldet, således at 25 modulationssignalet giver anledning til en kraftig forvrængning af den optiske signal OP-5-K.

Selv om der er blevet beskrevet og vist en foretrukket udførelsesform for nærværende opfindelse, er opfindelsen 30 ikke begrænset til denne, men kan også antage andre udførelsesformer inden for det, der angives i de efterfølgende krav.

Claims (9)

1. Optisk sender omfattende 5 en laserdiode (1), der i afhængighed af en elektrisk strøm gennem laserdioden kan udsende et optisk signal, hvor den elektriske strøm består af et bias-bidrag og et af et informationssignal frembragt modulationsbidrag; 10 en fotodetektor (2), der kan detektere det optiske signal og udsende et elektrisk monitorsignal i afhængighed af det optiske signal; 15 en første reguleringssløjfe, som er indrettet til at styre størrelsen af bias-bidraget af den elektriske strøm gennem laserdioden i afhængighed af det elektriske monitorsignal; 20 en anden reguleringssløjfe, som er indrettet til at styre størrelsen af modulationsbidraget af den elektriske strøm gennem laserdioden i afhængighed af det elektriske monitorsignal; hvor den anden reguleringssløjfe omfatter en første transimpedansforstærker (14), som har en lav ind-25 gangsimpedans, og hvor det elektriske monitorsignal er forbundet til en indgang på denne transimpedansforstærker, kendetegnet ved, at den første regulerings-30 sløjfe omfatter en strømstyret kilde (7), og at det elektriske monitorsignal er forbundet til en indgang på denne strømstyrede kilde.

2. Lasersender ifølge krav 1, kendetegnet 35 ved, at den strømstyrede kilde (7) er en strømstyret strømkilde. DK 173749 B1 20

3. Lasersender ifølge krav 2, kendetegnet ved, at den strørastyrede strømkilde (7) er et strømspejl.

4. Lasersender ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den første transimpedansforstærker (14) har et indgangstrin af jordet-emitter type.

5. Lasersender ifølge krav 1-4, kendetegnet 10 ved, at den første reguleringssløjfe omfatter en anden transimpedansforstærker (4), koblet til at modtage et strømsignal proportionalt med det elektriske monitorsignal ved hjælp af den strømstyrede strømkilde (7).

6. Lasersender ifølge krav 5, kendetegnet ved, at den første reguleringssløjfe yderligere omfatter en regulator (6) koblet til at modtage et signal fra nævnte første transimpedansforstærker samt til at udsende et bias-styresignal, der kan benyttes til styring af 20 nævnte laserdiode.

7. Lasersender ifølge krav 1-6, kendetegnet ved, at den anden reguleringssløjfe omfatter en spids-til-spidsværdidetektor (12) koblet til at modtage et sig- 25 nal fra nævnte første transimpedansforstærker.

8. Lasersender ifølge krav 7, kendetegnet ved, at den anden reguleringssløjfe yderligere omfatter en regulator (14) koblet til at modtage et signal fra 30 nævnte spids-til-spidsværdidetektor samt til at udsende et modulationsstyresignal, der kan benyttes til styring af nævnte laserdiode.

9. Lasersender ifølge krav 1, kendetegnet 35 ved, at den strømstyrede kilde er en strømstyret spæn dingskilde .