SE445285B - Anordning for automatisk reglering med negativ aterkoppling av en halvledarlaser - Google Patents

Description

H0 7906782-3 r 2 verket av stor betydelse att man till sitt förfogande har enkla och noggranna metoder för att erhålla de erforderliga styrsignalerna ur den pulsmodulerade signalen. Det är visserligen möjligt att utan större svårigheter erhålla en signal som är proportionell mot medel- effekten, men de kretsar som används vid detektering av t-t-effekten mycket mera kritiska. En signal (spänning eller ström) som är propor- tionell mot medeleffekten kan i själva verket erhållas genom att man integrerar modulationsenveloppen för den signal som går ut från det lämplig integrationskonstant. å andra sidan ut en liten organ som skall styras, om man väljer en För styrning av t-t-effekten tar man bråkdel av den modulerade elektromagnetiska strålningen, vilken detekteras medelst en-mycket snabb enveloppdetektor. På grund av den låga effekt det är fråga om är det nödvändigt att förstärka den signal som tillföras till detektorn medelst en förstärkare vars egenskaper beträffande passband och brus i stort sett motsvarar egenskaperna för mottagarens ingångssteg. På detta sätt dubbleras en av de mest kritiska enheterna, särskilt när överföringshastigheten är hög; resulterar i ökande kostnader och kretssvårigheter.

Dessa nackdelar kommer man tillrätta med vid styrsystemet enligt uppfinningen, vid vilket system man genom att utnyttja en egenskap hos vâgformer med återgång till noll erhåller information beträffande den t-t-effekt som avges från det organ som skall styras, och detta med användning av billiga, tillförlitliga och enkla kretsar.

Ett huvudändamål med uppfinningen är att åstadkomma ett sätt för automatisk reglering med negativ återkoppling av en anordning som på sin utgång avger en signal eller elektromagnetisk strålning med modulation av pulser som är arrangerade i lika sannolika, statistiskt oberoende stochastiska vågform-sekvenser med återgång till noll; vid detta sätt tar man ut en bråkdel av den signal eller elektromagnetiska vilken bråkdel detta strålning som går ut från det organ som skall styras, demoduleras så att man får den enveloppsignal som underkastas opera- med selektiv filtrering vid pulsrepetitionsfrekvensen, demodu- l erhåller en mot signalens eller den tioner lering och integrering, så att man elektromagnetiska stràlningens t-t-värdeseffekt proportionell signal; vilken utgående signal är anordnad att därefter förstärkas i en andra förstärkare (AM2) som är anordnad att styra en drivkrets (DR) till vars ingång är tillfört det dataflöde som_skall överföras och från vars utgång signalen med automatiskt styrd amplitud är uttagen, vilken signal, eventuellt i en adderare (A) adderad till en förspänningssig- nal, är anordnad att aktivera och styra nämnda anordning (LA) som NO 7906782-3 skall styras.

Ett ytterligare ändamål är att åstadkomma styranordningar för genomförande av sättet enligt uppfinningen. ' Dessa och ytterligare egenskaper hos uppfinningen kommer att framgå klarare av följande beskrivning av en föredragen utföringsform som visas på bifogade ritning, vars enda figur visar ett bloeksehema över ett styrsystem för att genomföra sättet enligt uppfinningen. Det bör observeras att varken beskrivningen eller ritningen får uppfattas som begränsande för uppfinningen.

Som applikationsexempel på ansökningsföremålet har använts ett styrsystem för en halvledarlaser, d.v.s. en energikälla som vunnit vidsträckt spridning när det gäller digital transmission via optiska fibrer.

Det är känt att en halvledarlaser i regel matas med en elektrisk ström som erhålles genom att man tillfogar en polariseringsström till en modulerande variabel ström. När den information som skall överfö- ras består av en serie data eller kodade talsignaler, växlar den modulerande strömmen mellan två nivåer för binära signaler, varvid den ena av nivåerna motsvarar symbolen D och den andra motsvarar symbolen 1.

Maximinivån för moduleringsströmmen väljs självfallet genom att man tar hänsyn till såväl driftsspecifikationen för lasern vid maximal förlusteffekt som egenskaperna för den emitterade optiska signalen, dels ur brussynpunkt och dels 1 förhållande till systemets övriga parametrar.

Den polariserande likströmmens nivå väljes däremot för att fastlägga arbetspunkten vid frånvaro av moduleringsström.

Den karaktäristiska arbetskurvan som representerar den optiska strålningseffekten som funktion av matningsströmmen utgöres i första approximationen av ett genom origo gående, i det närmaste horisontellt segment, anslutet till ett annat segment som har en större lutning. I motsvarighet till skarven mellan de båda segmenten finns en övergång från vänster, där halvledaren arbetar som en konventionell lysdiod (LED), åt höger, där laserverkan börjar och den emitterade optiska effekten snabbt ökar som funktion av strömmen. Det-strömvärde som motsvarar övergången ifråga kallas vanligen för laserns "tröskel- ström".

Under driftsförhâllanden är det lämpligt att halvledarens arbets- punkt läggas omedelbart över tröskelströmmen; man tillför sålunda en polariseringsström som är något större än tröskelströmmen. Under 40 7906782-3 e 4 dessa förhållanden ger lasern i själva verket bättre prestanda med avseende på släckningsförhållandet, d.v.s. förhållandet mellan minimi- effekt och maximieffekt i de båda logiska tillstånden, vid driftsfrek- venserna, utan att ge upphov till distorsionsproblem, vilka uppstår när arbetspunkten lägges under tröskelströmmen.

Till följd av temperaturvariationer och/eller fortskridande försämring av halvledaren till följd av åldring kommer emellertid den karaktäristiska kurvan (den optiska effekten som funktion av strömmen) för halvledaren att undergâ såväl en parallellförskjutning längs strömaxlarna som en vinkelkoefficientvariation i området för maximal lutning. Detta innebär att tröskelströmmen förskjutes och att laserns verkningsgrad varierar, vilket avsevärt påverkar ej endast ljuspulser- nas form och energi utan även släckningsförhållandet för den optiska signalen. För att i största möjliga utsträckning begränsa dessa nackdelar håller man ej laserns pclarisationsström och modulerings- ström konstanta vid förutbestämda värden utan de inställes fortlöpande medelst ett automatiskt styrsystem i vilket man genom behandling av den av lasern emítterade optiska signalen styr aktiveringsströmmen Närmare bestämt kan man. propor- enligt principen för negativ återkoppling. korrigera strömtröskelförskjutningen medelst en signal som är tionell mot ljusstrålningens medeleffekt, under det att man genom att använda en mot t-t-effekten proportionell signal kan hålla ljusemitte- ríngsverkningsgraden konstant.

Pâ ritningen anger beteckningen LA en normal halvledarlaseranord- ning som har en ingång för aktiveringsströmmen (avsedd för summan av polariseringsströmmen och moduleringsströmmen) ansluten till klämman 5 och en utgång från vilken ljusstrålningen, representerad av en sinus- linje och betecknad med 6, uttages. Större delen av ljusstrålningen genomgår en halvtransparent spegel, betecknad med BS, och når änden av den optiska fibern, betecknad med FO; vilken tjänstgör såsom transmis- sionsmedium; den återstående delen av strålningen, vilken del är betecknad med 7, reflekteras av BS och går till en ljusdetekterings- anordning FR. Den reflekterade strålningens effekt får självfallet uppgå endast till en liten bråkdel av den av lasern avgivna totala strålningseffekten, eftersom den går förlorad för överföringen, detta är skälet till att det styrsystem som utnyttjar den för alstring av lämpliga återkopplingssignaler måste vara mycket känsligt. På FR:s utgångsklämma, som-är förbunden med anslutning 9, finns en elektrisk signal motsvarande modulationsenveloppen för den av lasern emitterade optiska stråle som används för att styra såväl polariseringsströmmen, H0 7906782-3 på konventionellt sätt, som drivströmmen enligt en ny metod som kommer att beskrivas i det följande.

Närmare bestämt, vad polariseringsströmmen beträffar passerar den av FR avgivna elektriska signalen genom ett normalt lågpassfilter BP1, pà vars utgång förefinns en spänning som representerar den emitterade optiska effektens medelvärde. Denna spänning förstärkes därefter av en förstärkare, pá ritningen betecknad AM1, med god känslighet och liten drift (exempelvis en samplingsförstärkare) och styr storleken av polariseringsströmmen, vilken avges av en lämplig krets, beteeknad med BI. Denna ström går genom en adderare A, tillföres till lasern och bestämmer dess arbetspunkt så att denna ligger omedelbart över trös- kelströmmen. Om tröskelströmmen driver, till följd av temperaturvari- ationer och/eller gradvis försämring av halvledaregenskaperna, medför detta en variation i medelvärdet av den utstrålade effekten, av vilken en bråkdel uppfångas av FR, integreras i BP1 och förstärkes i AM1 samt återmatas till BI, så att den avgivna strömmen ökas eller minskas så att laserns arbetspunkt återföres till det förut bestämda tillståndet.

För mätning av t-t-effekten i den optiska signalen används här en metod som är baserad på spektralegenskaperna för vågformer med åter- gång till noll. I själva verket har den av lasern alstrade signalen ett diskret spektrum i vilket en enda frekvens sammanfaller med pulsrepetitionsfrekvensen, med en amplitud som är direkt proportionell med den optiska signalens t-t-effekt. Man behöver följaktligen endast mäta amplituden för komponenten av den frekvens som är lika med pulsrepetitionsfrekvensen för att erhålla all erforderlig information beträffande t-t-effekten. Givetvis beror fördelen härmed på det faktum att den erforderliga förstärkningen kan ske vid en noggrant bestämd frekvens, utan att man behöver några bredbandsförstärkare eller frekvensstyrda ("roll off") förstärkare som vid höga överföringshas- tigheter är dyrbara och besvärliga att trimma in.

För att undvika alltför långa serier nollor är det vanligt att man inför en omblandare som på lämpligt sätt behandlar de från källan kommande data och som även erfordras med hänsyn till de övriga system-_ kraven.

På ritningen uppträder den av FR detekterade elektriska signalen på anslutning 9 och gär till en selektiv förstärkare BPF vars band- mittfrekvens sammanfaller med pulsrepetitionsfrekvensen. Detta filters selektivitet är ej så hög, eftersom dess uppgift principiellt är att ge en svag filterverkan för undvikande av överbelastningsskador på de efterföljande kretsarna, vilka slutligt separerar den önskade H0 7906782-3 e frekvensen i spektret från de intilliggande frekvenserna.

' Den från BPF utgående signalen tillföres via anslutningen 10 till en kohärent demodulator som på ritningen är betecknad med CD. En signal som kommer från rektangelvàg-oscillatorn, ej visad på ritning- en, kommer samtidigt via en anslutning 20 fram till en andra ingång hos den kohärenta demodulatorn; denna signal verkar som klocka för modulationspulskällan. På utgången CD kommer sålunda följande signa- ler att förefinnas: en signal vars frekvens är lika med skillnaden mellan ingångssignalernas frekvenser; en signal vars frekvens är lika med summan av dessa frekvenser; ytterligare signaler som resultat av linjära kombinationer mellan harmoniska svängningar av högre ordning.

Bland alla dessa signaler finns en likströmssignal som lätt kan separeras från de övriga signalerna. Denna likströmssignal är resul- tat av skillnaden mellan de till CD-ingångarna tíllförda signaler som har samma frekvenser, d.v.s. mellan tidgivningssignalen och spektrum- frekvensen för datasignalen vid repetitionsfrekvensen.

Genom att filtrera den från CD utgående signalen på anslutning 11 i ett lågpassfilter, på ritningen betecknat BP2, får man följaktligen en likströmssignal som är proportionell mot amplituden för den enda. spektrumfrekvens som motsvarar repetitionsfrekvensen, och som ovan nämnts kommer denna likströmssignal därför att vara proportionell mot t-t-effekten för den av lasern alstrade optiska signalen. Den lik- strömssignal som går ut från BP2 går via anslutningen 12 till en med AM2 betecknad förstärkare som har god känslighet och låg drift; signalen ifråga bringar denna förstärkare till den nivå som erfordras för styrning av det efterföljande blocket. Detta block, som på ritningen är betecknat med DR, är en drivkrets, d.v.s. en krets som kan omvandla dataflödet på ingången på anslutning 1 till ett pulsflöde på sin utgång på anslutning 3. Strömmen ifråga har en storlek och en varaktighet som är anpassade till laserns behov.

Storleken av den pulsström som avges av DR regleras automatiskt som funktion av den likströmssignal som förefinnes på anslutning 2; på detta sätt kommer värdet topp till topp för de ljuspulser som emitteras av lasern att förbli konstant, oberoende av halvledarens variationer till följd av temperaturändringar och åldring. Som framgår av ritningen är de av DR avgivna strömpulserna ej anordnade att direkt driva lasern LA, utan de adderas först till den av BI avgivna polariseringsströmmen i adderaren A. Laserns aktiverings- ström, d.v.s. den ström som utgör resultat av summeringen av driv- strömmen och pclariseringsströmmen, uppträder på A:s utgång och H0 7906782-3 7 s s tillföres till lasern via anslutningen 5.

Det torde vara uppenbart att den ovan lämnade beskrivningen endast hänför sig till ett utföringsexempel och ej får uppfattas såsom begränsande för uppfinningen. Variationer och modifieringar är möjliga utan att uppfinningstanken eller ramen för uppfinningen frångás. Närmare bestämt kan styrsystemet användas ej endast för en halvledarlaser utan även för en godtycklig källa för elektromagnetiska vågor eller för en högfrekvensförstärkare vars t-t-effekt (och eventu- ellt medeleffekt) skall styras, förutsatt att den information som skall behandlas uppfyller de ovan nämnda kraven.

Samma princip kan även användas för en enveloppdetektor, istället för en kohärent demodulator, under förutsättning att en tillräckligt hög signalnivå förefinnes på detektorns ingång.

Claims (5)

7906732-z 8 Patentkrav

1. Anordning för automatisk reglering med negativ återkopp- ling av en halvledarlaser (LA), som utsänder elektromagnetisk strålning vid cxcitering med en ström, som överskrider en före- skriven tröskel, där ett pulsbildande organ (DR) är anordnat för att modulera den av lasern utsända energin med en serie slumpvis valda, mellan en låg och en hög nivå alternerande pulser med förutbestämd upprepningsfrekvens, vilka representerar data som skall överföras, och där utvinningsorgan (BS) är anordnat för att utvinna en del av energin hos varje utsänd puls, k ä n n e- t e c k n a d av ett bandpassfilter (BPF) anslutet till nämnda utvinnings- organ (BS) med ett passband centrerat'kring nämnda upprepnings- frekvens, toppvärdesdetekterande organ omfattande en koherent demodu- later (CD) driven av ett klockpulståg (via 20) med en frekvens lika med nämnda upprepningsfrekvens, för att alstra en återkopp- língssignal proportionell mot topp-till-toppeffekten hos nämnda pulser, förstärkande organ (AMZ) anordnat att styra det pulsbildande organet (DR) för att stabilisera amplituden hos nämnda pulser med hög nivå i beroende av nämnda återkopplingssígnal, samt en integrerande krets (BP1) ansluten till nämnda utvinnings- organ (BS) i parallell med nämnda bandpassfiltcr (BPF) för att bilda medelvärdet av den utvunna delenergin, en strömgenerator (BI) för att ur den medelvärdesbildade delenergin härleda en förspänningssígnal i form av en referens- ström som överskrider nämnda tröskel, varvid referensströmmen matas till nämnda laser för att fastställa en föreskriven arbetspunkt för denna, och en adderare (A) inkopplad mellan nämnda pulsbildande organ (DR) och en drivingâng hos nämnda laser (LA), vilken adderare (A) har en ingång ansluten till nämnda strömgenerator (Bl), för att avge en kombination av nämnda förspänningssignal och nämnda pulser till nämnda drívingång.

2. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n c t e c k n a d av att nämnda bandpassfilter (BPF) omfattar en frekvensselektiv förstärkare.

3. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d . ___... _ »....._...__..«v~.__..__._ - 7906782-3 av att nämnda pulsbíldande organ (DR) omfattar en kodare styrd av nämnda klockpulser för att alstra en följd av pulspar, där vart och ett består av en puls med låg nivå och en puls med hög nivå, där nämnda klockpulser utgörs av en fyrkantvåg vars perio- der är 900 förskjutna relativt nämnda pulspar, varigenom alter- nerande halvperioder hos nämnda fyrkantvåg var och en samman- faller med en halva hos pulsen med hög nivå.

4. Anordning enligt patentkrav 1 eller 3, k ä n n e t e c k- n a d av att nämnda utvinningsorgan omfattar en fotodetektor (FR) och en strâlningsuppdelare (BS) placerad för att belysa nämnda fotodektor med strålning utsänd av nämnda laser (LA).

5. Anordning enligt patentkrav 4, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda strålningsuppdelare (BS) utgörs av en delvis reflekterande halvgenomskínlíg spegel, vilken överför merparten av den utsända strålningen (6) till en optisk fiber (FD) inriktad till nämnda laser (LA).