NL8601510A

NL8601510A - Inrichting voor het aansturen van een laser.

Info

Publication number: NL8601510A
Application number: NL8601510A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1986-06-11
Filing date: 1986-06-11
Publication date: 1988-01-04
Also published as: DE3776816D1; EP0249295A1; EP0249295B1; JPH084167B2; US4744087A; JPS62293790A

Description

PHN 11.784 1 N.V. Philips Gloeilampenfabrieken "Inrichting voor het aansturen van een laser."

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het aansturen van een laser met een digitaal ingangssignaal bevattende - ruststroommiddelen voor het toevoeren aan de laser van een door negatieve terugkoppeling van een met de lichtopbrengst van de laser 5 evenredige stroom geregelde ruststroom om de lichtopbrengst van de laser te stabiliseren op een niveau, dat overeenkomt met één van de twee mogelijke waarden van het digitale ingangssignaal, - een modulatie-inrichting voor het toevoeren aan de laser van een door het digitale ingangssignaal gemoduleerde stuurstroom, en 10 - een -kompensatie-inrichting voor het toevoeren van een kompensatiestroom aan de ruststroommiddelen ter kompensatie van een met de impulsverhouding van het digitale ingangssignaal variërende gelijkstroomkomponent van de stuurstroom.

Een dergelijke inrichting is geschikt om te worden 15 toegepast in optische transmissiesystemen en is in het byzonder geschikt om te worden toegepast in digitale optische telekommunikatiesystemen.

Een dergelijke inrichting is bekend uit "The Bell System Technical Journal" Vol 62, September 1983, Number 7, Part 1, pagina's 1923-1935. De stuurkarakteristiek van een injectie-laser bezit 20 gewoonlijk een eerste bereik met een kleine helling, waarin de lichtopbrengst van de laser slechts in geringe mate toeneemt met toenemende stuurstroom, dat boven een zekere drempelwaarde overgaat in een tweede bereik met een grote helling, waarin de lichtopbrengst een sterke toename met toenemende stuurstroom vertoont. De laser wordt door 25 ruststroommiddelen gewoonlijk nabij de drempelwaarde ingesteld, waarbij de lichtopbrengst van de laser in het instelpunt overeenkomt met een logische "0" van het digitale ingangssignaal. Bij een logische "1" van het ingangssignaal wordt dan door de modulatieinrichting een stuurstroom aan de laser toegevoerd, die de lichtopbrengst van de laser naar een 30 hoger niveau schakelt. Om de met een logische "0" overeenkomende lichtopbrengst te stabiliseren tegen variaties in en verloop van de lasereigenschappen, wordt de ruststroom van de laser geregeld door ' . - ' ·' f w · ^ v>’ * ^ i Pi PHN 11.784 2 tegenkoppeling van een met de lichtopbrengst van de laser evenredige stroom, die door middel van een fotodetektor wordt verkregen. Door deze tegenkoppeling wordt echter ook de laagfrequentkomponent van de stuurstroom weggeregeld. Om te voorkomen dat hierdoor een digitaal 5 ingangssignaal met hoofdzakelijk logische "enen" de laser tot onder zijn drempelwaarde uitstuurt wordt bij de bekende inrichting een kompensatiestroom aan de ruststroom toegevoerd, die evenredig is met de stuurstroom van de modulatie-inrichting. Door deze kompensatiestroom wordt bij een ingangssignaal met veel logische "enen" het instelpunt van 10 de laser verhoogd van een nabij de drempelwaarde gelegen punt naar een punt, waarin de lichtopbrengst van de laser nagenoeg met dat van een logische "1" overeenkomt.

Een bezwaar van de bekende inrichting is echter, dat de voor de kompensatie benodigde stroom die evenredig is met de 15 stuurstroom, niet van deze stuurstroom kan worden afgetakt, omdat anders door de kompensatie-inrichting de stuurstroom voor de laser ongunstig wordt beïnvloedt. De bekende inrichting bevat voor het opwekken van de kompensatiestroom een tweede modulatie-inrichting, die evenals de eerste modulatie-inrichting door het digitale ingangssignaal wordt 20 aangestuurd. Deze tweede modulatie-inrichting houdt echter een tweede hoogfrequent schakeling in de inrichting in, hetgeen een kritisch ontwerp van de schakeling vereist om verstoring van zowel de stuurstroom als de kompensatiestroom te voorkomen. Het is dan ook het doel van de uitvinding een inrichting voor het aansturen van een laser aan te geven, 25 waarbij voor het opwekken van de kompensatiestroom geen uitbreiding van het hoogfrequent gedeelte van de schakeling benodigd is. Een inrichting van een in de aanhef genoemde soort, wordt volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat - de ruststroommiddelen voor het stabiliseren van de lichtopbrengst 30 van de laser zijn op een niveau, dat overeenkomt met de hoge waarde van het digitale ingangssignaal, - de modulatie-inrichting wordt gevormd door een omzetter voor het omzetten van het digitale ingangssignaal in twee stuurstromen, waarvan de signaalkomponenten gelijke amplitude en tegengestelde fase bezitten, 35 en - de ene stuurstroom voor het toevoeren aan de laser is en de andere stuurstroom voor het toevoeren aan de kompensatie-inrichting is.

-·" » - * .

% i. * }_ . ** >> - .¾ PHN 11.784 3

Bij de inrichting volgens de uitvinding wordt de laser door de ruststroom niet ingesteld in een punt, waarin de lichtopbrengst overeenkomt met een logische *0" maar in een punt, waarin de lichtopbrengst overeenkomt met een logische "1*. In het geval van een 5 logische "0" wordt dan een kompensatiestroom aan de ruststroom toegevoerd, die het instelpunt tot nabij de drempelwaarde van de laser verlaagd. De hiervoor benodigde kompensatiestroom wordt op eenvoudige wijze verkregen door de modulatie-inrichting als een omzetter uit te voeren, die aan zijn ene uitgang de stuurstroom voor de laser en aan 10 zijn andere uitgang een stroom levert, die even groot is als doch in tegenfase is met de stuurstroom. Een fractie van deze laatste stroom wordt nu gebruikt als kompensatiestroom. De stuurstroom en de kompensatiestroom worden door één modulatie-inrichting opgewekt, zodat voor de kompensatiestroom geen uitbreiding van het hoogfrequent 15 gedeelte van de inrichting benodigd is.

Een eenvoudige en geschikte uitvoeringsvorm van een omzetter kan worden gekenmerkt, doordat deze wordt gevormd door een verschilversterker met twee emittergekoppelde transistors, waarvan de bases zijn gekoppeld met ingangsklemmen voor het aansluiten van het 20 digitale ingangssignaal en de kollektors zijn gekoppeld met uitgangsklemmen voor het leveren van de ene en de andere stuurstroom.

Volgens een verdere uitvoeringsvorm kan de kompensatie-inrichting worden gekenmerkt, doordat deze wordt gevormd door een operationele versterker met een inverterende ingang, een niet-25 inverterende ingang en een uitgang, welke inverterende ingang is gekoppeld met een eerste weerstand voor het omzetten van de andere stuurstroom in een spanning, welke uitgang is gekoppeld met de basis van een transistor, waarvan de kollektor is gekoppeld met een tweede weerstand en met de niet-inverterende ingang van de operationele 30 versterker en waarvan de emitter is gekoppeld met een uitgang voor het leveren van de kompensatiestroom. Door de eerste weerstand als instelbare weerstand uit te voeren, kan de grootte van de kompensatiestroom en daarmee het met een logische *0" overeenkomende licht-niveau worden ingesteld.

35 De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van' bijgaande tekening, waarin

Figuur 1 het principe-schema van een inrichting volgens 5 ö 0 1 * ή "

Λ '»V

ΡΗΝ 11.784 4 de uitvinding toont,

Figuur 2 schematisch de lichtstroomkarakteristiek van een laser ter verklaring van de werking van de inrichting van figuur 1 toont, 5 Figuur 3 een uitvoeringsvorm van een modulatie-inrichting voor de in figuur 1 getoonde inrichting weergeeft,

Figuur 4a schematisch een uitvoeringsvorm van een kompensatie-inrichting voor de in figuur 1 getoonde inrichting weergeeft, en 10 Figuur 4b een praktische uitvoeringsvorm van de in figuur 4a getoonde inrichting weergeeft.

In figuur 1 is het principe-schema van een inrichting voor het aansturen van een laser met een digitaal ingangssignaal D volgens de uitvinding weergegeven. De inrichting bevat een schematisch 15 weergegeven diodelaser 2. Figuur 2 toont van een dergelijke laser de licht-stroomkarakteristiek, die de lichtopbrengst L van de laser als functie van de totale laserstroom IL weergeeft. Deze karakteristiek bezit een eerste bereik met een nagenoeg constante helling n^, waarin de lichtopbrengst L nauwelijks toeneemt met toenemende laserstroom 20 IL. Boven een zekere drempelwaarde IT gaat dit bereik over in een tweede bereik met een nagenoeg constante helling waarin de lichtopbrengst L sterk toeneemt met toenemede laserstroom IL. Door het digitale ingangssignaal D dient de laserstroom Ig nu zo gemoduleerd te worden, dat bij een logische “0" de lichtopbrengst van de laser gelijk 25 is aan L0, waarbij deze waarde net boven de drempelwaarde LT ligt en bij een logische "1" de lichtopbrengst gelijk is aan . Volgens de uitvinding wordt de laser ingesteld op de waarde L·^. dit geschiedt door ruststroommiddelen 3, die een ruststroom IB toevoeren aan de laser 2. De ruststroommiddelen 3 zijn voorzien van een referentiestroom 30 4, die een referentiestroom IR via een eerste sommator 5 en een laagdoorlatend filter 6 levert aan een stroomversterker 7, die deze stroom versterkt tot nagenoeg de waarde Ig. Deze ruststroom Ιβ stelt de lichtopbrengst van de laser 2 in op het niveau L-j. Om dit niveau L1 te stabiliseren tegen variaties in de laserparameters wordt met 35 behulp van een fotodetektor 9 een met de lichtopbrengst van de laser 2 evenredige stroom Ig opgewekt, die via de sommator 5 van de referentiestroom IR wordt afgetrokken. Door deze tegenkoppeling wordt .-· ; ; ‘ ,j v - -J - Λ PHN 11.784 5 de ruststroom IB zo geregeld, dat de stroom lp en dus de lichtopbrengst L-j nagenoeg konstant blijft. De inrichting bevat verder een modulatie-inrichting 10, die volgens de uitvinding wordt gevormd door een complementaire omzetter. Aan deze omzetter wordt een 5 gelijkstroom IM van een stroombron 11 toegevoerd, die door het digitale ingangssignaal D wordt omgezet in twee uitgangsstromen, die afgezien van een eventuele gelijke gelijkstroomkomponent onderling gelijke maar tegenfasige signaalkomponenten bevatten. Indien de totale stroom aan uitgang 13 gelijk is aan ij^, dan is de stroom aan uitgang 10 14 gelijk aan Ïm2=iM-^M1' stroom aan uitgang 13 wordt via een tweede sommator 8 aan de laser 2 toegevoerd, terwijl de stroom aan uitgang 14 wordt toegevoerd aan een kompensatie-inrichting 20. De tegenkoppeling die de lichtopbrengst L·^ van de laser 2 tegen laagfrequente variaties in de laserparameters stabiliseert, onderdrukt 15 echter ook de door de impulsverhouding bepaalde laagfrequent komponent van de stuurstroom iM-j. Voor de overdracht van de referentiestroom ÏR naar de stroom IB van fotodetektor 9 geldt namelijk:

K . AK

ID = _ . XM1, LF + _ . IR

20 1 + AK 1 + AK

waarin A = de stroomversterkingsfaktor van de stroomversterker 7, K = de evenredigheidsfaktor tussen de diodestroom ID en de laserstroom 1^, en ^M1,1F = laa9ire<ïuent~^omPonent van d® stuurstroom i^ is.

25 Voor AK>>1, hetgeen in praktijk altijd het geval is, volgt uit bovenstaande vergelijking, dat ID - IR en dus dat de laagfrequent komponent van IM1 wordt onderdrukt. Opgemerkt wordt, dat de hoogste frequentie die wordt onderdrukt, wordt bepaald door afsnijfrequentie van het laagdoorlatend filter 6. De hoogfrequent 30 komponent van iM1, die de eigenlijke informatie bevat, ziet een open lus en wordt onverzwakt aan de laser doorgegeven. Zoals vermeld, wordt de laagfrequent komponent van de stuurstroom IM1 bepaald door de impulsverhouding (duty-cycle) van het digitale ingangssignaal D. Bij een digitaal ingangssignaal dat alleen uit "enen" bestaat, is de 35 laagfrequent komponent maximaal eh nagenoeg gelijk aan de waarde van de stuurstroom iM1 bij een logische "Γ, terwijl bij een digitaal ingangssignaal dat alleen uit logische "nullen" bestaat, deze , r, * ; j» V V <* * V* ^ PHN 11.784 6 laagfrequent komponent minimaal en gelijk is aan de waarde van de stuurstroom iM1 bij een logische "0". Omdat de laser 2 op het niveau Li staat ingesteld, zou de laser bij aansturing door een ingangssignaal dat volledig uit logische "enen" bestaat tot de waarde 5 Li~Lq boven het ingestelde niveau Li worden uitgestuurd. Omdat echter de laagfrequent komponent van de stuurstroom iMi nagenoeg volledig wordt onderdrukt, wordt de lichtopbrengst over nagenoeg de waarde Li verlaagd, zodat de lichtopbrengst van de laser 2 toch op de waarde Li uit komt.

10 In het geval van een logische "0" dient de lichtopbrengst van de laser 2 van het niveau Li naar het niveau L0 te worden verlaagd. Hiertoe wordt de stroom i^ aan <*e uitgang 14 van de modulatie-inrichting 10 gebruikt. De stroom iM2 wordt toegevoegd aan de kompensatie-inrichting 20, die een fraktie van deze -stroom als 15 kompensatiestroom ic aan de eerste sommator 5 toevoert, waarbij deze stroom ic van de referentiestroom IR wordt afgetrokken. De stroom iM2 is in tegenfase met de stuurstroom iMi. In het geval van een logische "1" is de kompensatiestroom ic minimaal en eventueel gelijk aan nul. Het verschil van de referentiestroom IR en de 20 kompensatiestroom ic vormt na versterking de ruststroom Ιβ, waarmee de laser 2 op het niveau Li wordt ingesteld. Bij een logische "0" is de kompensatiestroom ic maximaal. De ruststroom IB wordt hierdoor verkleind en dientengevolge wordt de laser 2 op het niveau Lq ingesteld.

25 In figuur 3 is een uitvoeringsvorm van een modulatie- inrichting voor de inrichting van figuur 1 weergegeven. De inrichting wordt gevormd door een verschilversterker met twee transistors Ti en T2, waarvan het gemeenschappelijke emitteraansluitpunt door middel van een stroombron 11 met stroomsterkte IM met de negatieve 30 voedingsspanningslijn 15 is verbonden. De kollektor van transistor Ti vormt de uitgang 13, die met laser 2 is verbonden en de kollektor van transistor T2 vormt de uitgang 14, die met de kompensatie-inrichting 20 is verbonden. Transistor Ti wordt aangestuurd via een emittervolgerconfiguratie met een transistor T3, waarvan de emitter 35 via een niveauverschuivingsdiode D1 met de basis van transistor Ti en via een weerstand R1 met de negatieve voedingsspanningslijn 15 is verbonden. De kollektor van transistor T3 is met de positieve .'·* -¾ --5 .·’ i i i - · - PHN 11.784 7 voedingsspanningslijn 16 verbonden. Transistor T2 wordt op dezelfde wijze aangestuurd door transistor T4, diode D2 en weerstand R2. De bases 17 en 18 van de transistor T3 en T4 vormen de ingangsklemmen voor het toevoeren van het digitale ingangssignaal D. De bases 17 en 18 5 kunnen worden ingesteld op een gelijkspanningsniveau van 1,3V om de schakeling compatibel te maken met ECL-circuits. In de rusttoestand verdeelt de stroom van stroombron 11 zich in gelijke mate over de transistors en T2. Indien bij het toevoeren van een logische "1" de spanning op de basis 17 van transistor T3 voldoende positief is ten 10 opzichte van de spanning op de basis van transistor T4 wordt transistor T2 volledig afgeschakeld en vloeit de stroom IM volledig door transistor . De stuurstroom iM-j is in dat geval maximaal en gelijk aan i^ = 1^. De stroom I^2 voor de kompensatie-inrichting 20 is dan minimaal en gelijk aan nul. Bij een logische "0" is de 15 spanning op de basis 18 positief ten opzichte van die op de basis 17. De stroom IM vloeit dan volledig door transistor T2. De stuurstroom IM1 voor de laser 2 is dan gelijk aan nul, terwijl de stroom IM2 voor de kompensatie-inrichting 20 dan maximaal is en gelijk aan iM2 = I*M. Bij relatief kleine ingangsspanningen functioneert de 20 verschilversterker T.j, T2 niet als geschakelde versterker maar als lineaire versterker. Bij een logische "1" is de stroom door transistor T.j dan gelijk aan ij^ = Ijj + is en door transistor T2 gelijk ' aan iM2 = - ig, waarbij is de signaalstroom ten gevolge van het aanleggen van het digitale ingangssignaal is. Bij een logische "0* 25 zijn de stromen door transistors en T2 dan gelijk aan respectievelijk iM1 = IM - ig en IM2 = IM + ig.

In figuur 4a is schematisch een uitvoeringsvorm van een kompesatie-inrichting voor de inrichting van figuur 1 weergegeven.

Hierin is transistor T2 uit figuur 3 schematisch weergegeven door een 30 stroombron met stroomsterkte iM2. De uitgang 14 van deze stroombron is door middel van een weerstand R3 - Rx met de positieve voedingsspanningslijn 16 verbonden en verder met de inverterende ingang van een operationele versterker 21, waarvan de uitgang een transistor Tg aanstuurt. De kollektor van deze transistor T5 is door middel van 35 een weerstand R^ = Rq met de positieve voedingsspanningslijn 16 en met de niet-inverterende ingang van versterker 21 verbonden. De emitter van transistor T5 vormt de uitgang van de kompensatie-inrichting 20, ΡΗΝ 11.784 8 die de kompensatiestroom ic levert. De versterker 21 stuurt transistor Tg nu zodanig aan, dat de spanning over de weerstanden R3 en gelijk is. De kompensatiestroom is dan gelijk aan ic = Rx . iM2/RQ. Door de weerstand R3 als instelbare weerstand 5 uit te voeren, kan de grootte van de kompensatiestroom ic worden geregeld.

In figuur 4b is een praktische uitvoeringsvorm van de in figuur 4a getoonde schakeling weergegeven. De opertionele versterker 21 wordt gevormd door twee als verschilbaar geschakelde PNP-transistors 10 Tg, Ty, waarvan het gemeenschappelijke emitteraansluitpunt door middel van een als stroombron fungerende weerstand Rg met de positieve voedingsspanningslijn 16 is verbonden. De basis van transistor Tg is via een emittervolger configuratie met transistor Tg, diode D3 en weerstand Rg met de uitgang 14 van stroombron IM2 verbonden, terwijl 15 de basis van transistor Ty via een gelijke emittervolgerconfiguratie met transistor Tg, diode D^ en weerstand Ry met het uiteinde van weerstand R^ is verbonden. De basis van transistor Tg vormt de inverterende en de basis van transistor Tg de niet-inverterende ingang van versterker 21. De kollektor van transistor Ty is door middel van 20 een stroomspiegel met transistors T-jq en T^ verbonden met de kollektor van transistor Tg en met de basis van een transistor T12, die met transistor Tg in Darlington-configuratie is geschakeld. De werking van de schakeling is gelijk aan die van de schakeling van figuur 4a.

25 De uitvinding is niet beperkt tot bovenbeschreven uitvoeringsvoorbeelden. De uitvoering van de complementaire omzetter en de kompensatie-inrichting zijn voor het principe van de uitvinding niet relevant en kunnen dan ook op vele andere manieren worden uitgevoerd. De inrichting kan verder voorzien worden van een beveilingsschakeling, die 30 de ruststroom voor de laser begrenst op een maximale waarde in het geval van degradatie van de laser.

?K . Λ --*·<- j-i *'* 1 t\ ' \ t v; & v - '

Claims

1. Inrichting voor het aansturen van een laser met een digitaal ingangssignaal bevattende - ruststroommiddelen voor het toevoeren aan de laser van een door negatieve terugkoppeling van een met de lichtopbrengst van de laser 5 evenredige stroom geregelde ruststroom om de lichtopbrengst van de laser te stabiliseren op een niveau, dat overeenkomt met één van de twee mogelijke waarden van het digitale ingangssignaal, - een modulatie-inrichting voor het toevoeren aan de laser van een door het digitale ingangssignaal gemoduleerde stuurstroom, en 10. een kompensatie-inrichting voor het toevoeren van een kompensatiestroom aan de ruststroommiddelen ter kompensatie van een.met de impulsverhouding van het digitale ingangssignaal variërende gelijkstroomkomponent van de stuurstroom met het kenmerk 15. dat de ruststroommiddelen voor het stabiliseren van de lichtopbrengst van de laser zijn op een niveau, dat overeenkomt met de hoge waarde van het digitale ingangssignaal, - dat de modulatie-inrichting wordt gevormd door een omzetter voor het omzetten van het digitale ingangssignaal in twee stuurstromen, waarvan 20 de signaalkomponenten gelijke amplitude en tegengestelde fase bezitten, en - dat de ene stuurstroom voor het toevoeren aan de laser is en de andere stuurstroom voor het toevoeren aan de kompensatie-inrichting is.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de 25 omzetter wordt gevormd door een verschilversterker met twee emittergekoppelde transistors, waarvan de bases zijn gekoppeld met ingangsklemmen voor het aansluiten van het digitale ingangssignaal en de kollektors zijn gekoppeld met uitgangsklemmen voor het leveren van de ene en de andere stuurstroom.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de kompensatie-inrichting wordt gevormd door een operationele versterker met een inverterende ingang, een niet-inverterende ingang en een uitgang, welke inverterende ingang is gekoppeld met een eerste weerstand voor het omzetten van de andere stuurstroom in een spanning, welke 35 uitgang is gekoppeld met de basis van een transistor, waarvan de kollektor is gekoppeld met een tweede weerstand en met de niet-inverterende ingang van de operationele versterker en waarvan de emitter £ ~ 0 'i 5 1 Q W V V ‘ ν' v*· ^ ., PHN 11.784 10 is gekoppeld met een uitgang voor het leveren van de kompensatiestroom.

4. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de eerste weerstand een instelbare weerstand is. ' - Λ -i 1 i il