FI106677B - Säätömenetelmä ja säätöpiiri laserdiodilähettimen säätämiseksi - Google Patents

Description

106677 Säätömenetelmä ja säätöpiiri laserdiodiiähettimen säätämiseksi

Keksintö liittyy menetelmään laserdiodiiähettimen optisen ulostulota-son säätämiseksi, joka menetelmä käsittää laserdiodiiähettimen optisen ulostu-5 losignaalin osan ilmaisemisen ja valvontasignaalin kehittämisen, joka edustaa mainittua optista ulostulosignaalia, ja laserdiodiiähettimen optisen ulostulon keskimääräisen tason säätämisen mainitun valvontasignaalin ja lähetettävän data-signaalin perusteella. Keksintö liittyy edelleen tämän menetelmän toteuttavaan säätöpiiriin.

10 Tyypillinen ongelma, joka kohdataan laserdiodeissa, on se, että la- serdiodin optinen ulostuloteho muuttuu lämpötilan ja ajan mukana. Tarkemmin sanottuna ikääntymisen ja kasvavan lämpötilan vaikutus laserdiodiin on se, että laserdiodin kynnysvirta kasvaa ja jyrkkyyshyötysuhde pienenee. Perinteisesti tämän ongelma on ratkaistu tietyssä määrin käyttämällä Peltier-jäähdytintä läm-15 pötilamuutosten eliminoimiseen ja keskiarvotasoon perustuvaa takaisinkytkentä-silmukkaa ikääntymisen kompensointiin.

On myös kokeiltu useita menetelmiä optisen ulostulostason säätämiseksi ilman jäähdytintä, mutta yhtään täysin tyydyttävää järjestelmää ei tunneta. Useimmat tunnetut menetelmät ovat joko liian monimutkaisia tai häiriöalttiita 20 käytettäviksi dynaamisissa toimintaolosuhteissa tai koottaviksi tuotantolinjalla.

Keksinnön päämääränä on aikaansaada uusi menetelmä laserdiodi- (>;i· lähettimen optisen ulostulotason säätämiseen käytettäväksi tietoliikenneverkois- ·:··! sa, joissa oletetaan 20 vuoden elinikä. Erityisesti sammutussuhdetta koskevat ·:··« suoritukset ovat tiukat, niin että säätöpiirin tulee olla tarkka. Sammutussuhde 25 määritellään optisen "Τ’-tason suhteena "0"-tasoon. Suurilla sammutussuhdear- :’·*·. voilla "0"-taso on hyvin pieni verrattuna "Τ'-tasoon. Tämän vuoksi jopa pieni häi- • ♦ *..* riö tai offset säätösilmukassa voi aiheuttaa merkittävän muutoksen "0"-tasossa • · · *** * ja sitä kautta sammutussuhteessa.

Jotta tämän tapahtuminen estetään, säätösilmukan täytyy olla epä-30 herkkä lämpötilan muutoksille, teholähteen muutoksille ja komponenttitolerans- • · · seille. Tämä tarkoittaa, että kun esimerkiksi lämpötila muuttuu, silmukan tulisi kompensoida laserin hyötysuhteen vaihtelu eikä offsetia ja ryömintää itse silmu-kassa.

♦ · Järjestelmä, joka tunnetaan EP-patenttihakemuksesta 218 449, ei : V 35 täytä yllä mainittuja vaatimuksia useista syistä. Tässä järjestelmässä säätösil-mukan säätösignaali johdetaan balansoidusta modulaattorista tai sekoittimesta.

2 106677

Balansoidun modulaattorin tai sekoittimen ulostulo riippuu suoraan sisääntulo-signaalien amplitudista. Järjestelmässä käytetään itse datasignaalia tai datasig-naalia muutamien loogisten operaatioiden jälkeen referenssisignaalina. Data-signaalin sanotaan olevan digitaalinen signaali, joten se johdetaan loogiselta ve-5 räjältä. On hyvin tunnettua, että minkä tahansa loogisen veräjän ulostulotasot vaihtelevat lämpötilamuutosten mukana. Siksi balansoidulle modulaattorille tai sekoittimelle tuleva referenssisignaali muuttuu lämpötilan mukana. Tämä aiheuttaa virheellisen muutoksen kertojan ulostulossa, mikä puolestaan vaikuttaa sammutussuhteeseen.

10 Balansoitu modulaattori tai sekoitin itse muodostuu transistoreista tai diodeista, joiden kanta-emitteri-jännitteet muuttuvat lämpötilan mukana. Tämä aiheuttaa jälleen ulostulon tarpeettoman säätämisen.

Tässä tunnetussa järjestelmässä palautetun signaalin ja referenssi-signaalin vaiheiden tarvitsee olla tahdistettu. Tämä menetelmä ei ole sopiva 15 suurille bittinopeuksille, joilla pulssinleveys on verrattavissa vaihesiirtoon, jonka piirissä olevat loiskapasitanssit aiheuttavat. Tämä kunkin piirin erillistä säätöä koskeva vaatimus on suuri haitta massatuotannossa.

EP-patenttihakemuksen 218 449 eräässä suoritusmuodossa ilmaistaan signaalin positiiviset ja negatiiviset huiput. Koska negatiivinen huippu vas-20 taa "0"-tasoa, jonka arvo on pieni, pienikin offset tai ryömintä aiheuttaa suuren virheen.

US-patentin 4 277 846 mukaisessa säätöpiirissä säätösignaali joh- •: · ‘ i detaan negatiiviselta huippuilmaisimelta ja kiinteästä referenssisignaalista. Tä- ·:·: mä piiri ei ole sisäisesti lämpötilakompensoitu ja siten huippuilmaisimen kanta- 25 emitterijännitteessä heijastuvat voimakkaasti virheinä modulaatiovirrassa.

JP-julkaisun 55-83280 mukaisessa säätöpiirissä säätösignaali joh-detaan positiivisen huippuarvoilmaistun signaalin tason ja keskimääräisen sig- • · i * naalitason yhdistelmästä. Jälleenkään ei ole rnukana sisäistä lämpötilakompen- ... sointia eikä mitään varauksia ole tehty signaalin toimintasuhteelle. Tosiasiassa, • · *···* 30 jos lähetys keskeytyy toiminnan aikana, silmukka kasvattaa modulaatiovirtaa lo- puttomasti ja tällä tavoin vahingoittaa laseria tai tuhoaa sen.

♦ ·:··· Keksinnön päämäärät saavutetaan patenttivaatimuksen 1 mukaisella menetelmällä ja patenttivaatimuksen 4 mukaiselle säätöpiirillä.

Keksinnön mukainen menetelmä perustuu periaatteeseen, että tark- • * · '· ·' 35 kailusignaali ja datasignaali generoidaan samalla mekanismilla. Siten kaikki muutokset, järjestelmässä esiintyy, ilmenevät symmetrisesti molemmissa sig- 106677 3 naaleissa, niin että ulostulo pysyy samana. Tämän periaatteen vuoksi piiri on sisäisesti lämpötilakompensoitu ja immuuni teholähteen ja sisääntulosignaalin vaihteluille.

Keksinnössä tarkkaillaan ja säädetään samanaikaisesti laserdiodin 5 optisen ulostulon huipputasoa ja keskimääräistä tasoa käyttäen lähetettävää datasignaalia referenssisignaalina. Johtuen datasignaalin käyttämisestä refe-renssisignaalina, edes pitkän databittisekvenssin, jossa ei ole muutoksia, aikana toiminta ei häiriinny tai lasertehoa ei säädetä väärin. Keksinnön avulla taso ja sammutussuhde voidaan tämän vuoksi säilyttää vakiona muuttuvista oiosuh-10 teista huolimatta.

Keksintö liittyy edelleen säätöpiiriin laserdiodilähettimen optisen ulostulotason säätämiseksi, joka säätöpiiri käsittää valvontavalodiodivälineen laserdiodilähettimen optisen ulostulosignaalin osuuden ilmaisemiseksi, esivahvis-timen valvontasignaalin kehittämiseksi, joka edustaa mainittua optista ulostulo-15 signaalia, sekä toisen säätövälineen laserdiodilähettimen ulostulon keskimääräisen tason säätämiseksi valvontasignaalin ja lähetettävän datasignaalin keskimääräisten tasojen välisen eron perusteella. Keksinnön mukainen säätöpiiri käsittää huipputason ilmaisinvälineen valvontasignaalin huipputason ja lähetettävän datasignaalin huipputason ilmaisemiseksi, toisen säätövälineen laserdiodi-20 lähettimen optisen .ulostulon huipputason säätämiseksi huipputason ilmaisinväli-neellä ilmaistujen huipputasojen välisen eron perusteella.

...T Keksinnön mukaiselle säätöpiirille on tunnusomaista se, mitä sano- *: *' *' taan patenttivaatimuksen 4 tunnusmerkkiosassa.

·:··: Seuraavassa keksintöä tullaan selostamaan yksityiskohtaisemmin ··· 25 esimerkinomaisen suoritusmuodon avulla viitaten oheisiin piirroksiin, joissa ·«·· kuvio 1 on keksinnön mukaisen säätöpiirin lohkokaavio.

• ·

Nyt tullaan selostamaan muutamia tässä käytettyjä teknisiä termejä.

Jyrkkyyshyötysuhde (slope efficiency) liittyy laserin kykyyn muuntaa sähkövirtaa valoksi, ts. laser, jolla on hyvä hyötysuhde, tarvitsee pienen virta- - '.V.' 30 muutoksen tuottaakseen suuren muutoksen ulostulevassa valotasossa, kun • · ···* taas tehoton laser tarvitsee suuremman virtamuutoksen samaa muutosta varten ·:··: valoulostulossa.

•: · ·: Jyrkkyysvaihtelut (slope variations) liittyvät ajan ja lämpötilan mukana tapahtuviin muutoksiin laserin hyötysuhteessa. Tyypillisesti, kun laser ikääntyy ja : *’ 35 käyttölämpötila nousee, hyötysuhde laskee, jolloin tarvitaan kasvanutta ohjaus- • « · · · * * virtaa.

4 106677

Kuvio 1 esittää optisen lähettimen, joka käsittää laserdiodin LD, la-serdiodiohjaimen 1, modulointivirtalähteen 2 ja biasointivirtalähteen 3. Laserdio-di LD biasoidaan tavanomaisella tavalla myötäsuuntaisesti biasointivirtaläh-teestä 3 saatavalla biasointivirralla lBias. Modulointivirtalähde 2 kehittää modu-5 lointivirran lMod sisääntulevan datasignaalin perusteella, joka syötetään sisääntulona lähteelle 2. Modulointivirta lMod syötetään laserdiodiohjaimelle 1 moduloimaan laserdiodia LD siten, että optinen signaali, joka vastaa tätä sisääntulevaa dataa, lähetetään laserdiodilla LD optiselle siirtotielle, sellaiselle kuten optinen kuitu 11.

10 Osa laserdiodin LD optisesta ulostulotehosta johdetaan valvontava- lodiodille FD ja ilmaistaan sillä laserdiodin LD ulostulotason tarkkailemista varten. Fotodiodi FD on kytketty suuren kaistanleveyden omaavaan esivahvisti-meen 4, joka antaa ulostulona sähköisen signaalin 4a, joka edustaa laserdiodin LD optista ulostuloa. Esivahvistin 4 on toteutettu laajakaistaisena transimpe-15 danssivahvistimena, niin että sen ulostulojännitteen amplitudi on riippumaton lämpötilamuutoksista.

Ulostulosignaali 4a syötetään huipputasonilmaisimelle 6, joka määrittää signaalin 4a huippuarvon ja antaa tuloksen ulostulosignaalina 6a. Lähetettävä sisääntuleva data syötetään rajoitinvahvistimelle 12, joka vahvistaa ja 20 rajoittaa datasignaalia siten, että sen ulostulon 1-taso pysyy vakiona kaikissa lämpötiloissa. Esivahvistimella 4 ja rajoitinvahvistimella 12 on molemmilla sama .. · i käyttöjännite Vcc, ja kaikki vaihtelut Vcc:ssä, joita esimerkiksi lämpötilan muutok- « set aiheuttavat, vaikuttavat molempiin signaaleihin samalla tavoin. Rajoitinvah-vistimelta 12 signaali syötetään toiselle huipputasonilmaisimelle 7, joka määritti· 25 tää sisääntulevan datan huippuarvon ja antaa tuloksen ulostulosignaalina 7a.

·*·*: Huipputasonilmaisimien 6 ja 7 aikavakioiden tulisi olla samat. Huipputasonilmai- • ♦ .·:·. simet on edullisesti toteutettu käyttäen transistoreita tai muita piirivälineitä, jotka on integroitu samalle piinsirulle, niin että ne ovat jatkuvasti keskenään samassa .... lämpötilassa eikä niiden ulostulojen välillä esiinny toisiinsa verrattaessa lämpö- 30 tilaerojen aiheuttamaa virhettä. Ulostulosignaalit ilmaisimilta 6 ja 7 syötetään si- • · ·;·* sääntuloina vertailijavälineelle 9, sellaiselle kuten differentiaalivahvistin, joka ·:**: muodostaa epäsymmetrisen erosignaalin 9a, joka edustaa signaalien 6a ja 7a ·:··: välistä eroa. Fluipputasonilmaisimilla 6 ja 7 on sama referenssijännite V,*, niin että jännitteessä esiintyvät vaihtelut, joita esim. lämpötilavaihtelut aiheutta-: \ 35 vat, vaikuttavat samalla tavoin molempien ilmaisimien ulostulosignaaleihin. Ero- signaali 9a syötetään modulointivirtalähteelle 2 negatiivisena takaisinkytkentä- 106677 5 signaalina nollan suuruisen virhesignaalin ylläpitämiseksi suljetussa silmukassa säätämällä modulointivirtaa lMod ja sitä kautta laserdiodin LD optisen ulostulosignaalin huipputasoa.

Ulostulosignaali 4a syötetään myös keskimääräisen tason ilmaisi-5 melle 5, joka määrittää signaalin 4a keskimääräisen tason ja antaa tuloksen ulostulosignaalina 5a. Lähetettävä sisääntuleva data syötetään toiselle keskimääräisen tasonilmaisimelle 8, joka määrittää sisääntulevan datan keskimääräisen tason ja antaa tuloksen ulostulosignaalina 8a. Keskimääräisen tasonilmai-simien 5 ja 8 aikavakioiden tulisi olla samat. Ulostulosignaalit ilmaisimilta 5 ja 8 10 syötetään sisääntuloina vertailijavälineelle 10, sellaiselle kuten differentiaalivahvistin, joka muodostaa epäsymmetrisen erosignaalin 10a, joka edustaa signaalien 5a ja 8a välistä eroa. Differentiaalivahvistin 10 on edullisesti integroiva vahvistin, niin että riippuvuus ilmaisinulostulosignaalien 5a ja 8a vaiheesta tulisi eliminoitua. Erosignaali 10a syötetään biasointivirtalähteelle 3 negatiivisena takai-15 sinkytkentäsignaalina nollan suuruisen virhesignaalin ylläpitämiseksi suljetussa silmukassa säätämällä biasointivirtaa lBias ja tätä kautta laserdiodin LD optisen ulostulosignaalin keskimääräistä tasoa.

Näiden kahden rinnakkaisen takaisinkytkentäsilmukan toiminnan ja keskinäistoiminnan kontrolloimiseksi biasointisäätösilmukan tulisi olla edullisesti 20 nopeampi kuin huipputasonsäätösilmukan.

Kuvio ja siihen liittyvä selitys ovat ainoastaan tarkoitettu havainnoisi' listamaan keksintöä. Yksityiskohdiltaan keksinnön mukainen menetelmä ja •: - · i säätöpiiri voivat vaihdella oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

a « « • · · »»·· • · · • · · • · ♦ ♦ ··· • · · ♦ · · • · · • · • · • · · *·* • · ··· • · • · • · * • · · • « • · • ·

Claims (7)

1. Menetelmä laserdiodilähettimen (LD) optisen ulostulotason säätämiseksi, joka menetelmä käsittää 5 laserdiodilähettimen (LD) optisen ulostulosignaalin osan ilmaisemi sen, valvontasignaalin kehittämisen, joka edustaa mainittua optista ulostulosignaalia, laserdiodilähettimen (LD) optisen ulostulon keskimääräisen tason 10 säätämisen mainitun valvontasignaalin ja lähetettävän datasignaalin perusteella, laserdiodilähettimen (LD) optisen ulostulon huipputason säätämisen mainitun valvontasignaalin ja lähetettävän datasignaalin huipputasojen välisen eron perusteella, tunnettu siitä, että keskimääräisen tason säätö on nopeampi kuin huipputason säätö.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että mainittu optisen ulostulon huipputason säätövaihe käsittää laserdiodilähettimen (LD) modulointivirran säätämisen siten, että mainittu ero pidetään nollana.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu optisen ulostulon keskimääräisen tason säätövaihe käsittää 20 laserdiodilähettimen (LD) biasointivirran säätämisen valvontasignaalin ja lähetettävän datasignaalin keskimääräisten tasojen välisen eron perusteella siten, ; i että mainittu ero pidetään nollana.

·:··: 4. Säätöpiiri laserdiodilähettimen optisen ulostulotason säätämiseksi, käsittäen 25 valvontavalodiodivälineen (PD) laserdiodilähettimen (LD) optisen *.*.*/.s ulostulosignaalin osuuden ilmaisemiseksi, esivahvistimen (4) valvontasignaalin (4a) kehittämiseksi, joka edustaa mainittua optista ulostulosignaalia, ensimmäi- • · · sen säätövälineen (3, 10) laserdiodilähettimen (LD) ulostulon keskimääräisen tason säätämiseksi valvontasignaalin ja lähetettävän datasignaalin keskimää-30 räisten tasojen välisen eron perusteella, • · · huipputason ilmaisinvälineen (6, 7) valvontasignaalin (4a) huipputa-....: son ja lähetettävän datasignaalin huipputason ilmaisemiseksi, ja toisen säätövälineen (2, 9) laserdiodilähettimen (LD) optisen ulostu- • * . lon huipputason säätämiseksi huipputason ilmaisinvälineellä (6, 7) ilmaistujen • o · : \: 35 huipputasojen välisen eron perusteella, tunnettu siitä, että se lisäksi käsit- *:*· tää rajoitinvahvistimen (12), joka on kytketty huipputasonilmaisimen (7) eteen 7 106677 datasignaalia varten aikaansaamaan datasignaalin "Γ-tason lämpötilasta riippumattomaksi, ja että keskimääräisen tason säätö on nopeampi kuin huipputason säätö.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen säätöpiiri, tunnettu siitä, että 5 esivahvistin on laajakaistainen transimpedanssivahvistin (4).

6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen säätöpiiri, tunnettu siitä, että datasignaalin ja valvontasignaalin huipputasonilmaisimet (6,7) ovat rakenteeltaan ja toiminnaltaan identtiset.

6 106677

7. Patenttivaatimuksen 4 mukainen säätöpiiri, tunnettu siitä, että 10 mainittu toinen säätöväline (2, 9) säätää laserdiodilähettimen (LD) modulointi- virtaa ja mainittu ensimmäinen säätöväline (3, 10) säätää laserdiodilähettimen (LD) biasointivirtaa valvontasignaalin ja lähetettävän datasignaalin keskimääräisten tasojen välisen eron perusteella, jotka on ilmaistu valvontasignaalin (4a) keskimääräisen tason lähetettävän datasignaalin keskimääräisen tason ilmai-15 sevilla keskimääräisen tason ilmaisuvälineillä (5, 8). ««« « » « • « m • · · • · · · • · · • · · • ♦ • · • · « • ♦ · • · · • · « • · • · • · · • · · • · *·· • « * • » • · * « · • · « Q t « • · 8 106677