DE2841433C2

DE2841433C2 - Vorstromregelung von Laserdioden

Info

Publication number: DE2841433C2
Application number: DE2841433A
Authority: DE
Inventors: Herwig Dipl.-Ing. 8031 Puchheim Trimmel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-09-22
Filing date: 1978-09-22
Publication date: 1983-08-25
Also published as: US4385387A; JPS5721871B2; JPS5543898A; DE2841433A1

Description

— daß dem Vorstrom eine periodische Schwingung mit positiven und negativen Halbwellen ΐϊ und mit einer gegenüber der Frequenz und Amplitude des zu übertragenden Signals niedrigen Frequenz und geringeren Amplitude derart überlagert wird (Pilotsignalstrom /_p), daß der wirksame Vorstrom während der Dauer der positives Halbwelle der periodischen Schwingung um deren jeweiligen Momentanwert erhöht und während der Dauer der negativen Halbwelle um deren jeweiligen Momentanwert vermindert ist und dadurch das abgestrahlte -⁵ Licht während der Dauer der positiven Halbwelle einen dem erhöhten Vorstrom entsprechenden periodischen Gleichanteil enthält, während der Dauer der negativen Halbwelle dagegen um einen, dem verminderten » Vorstrom entsprechenden Anteil verringert ist,

— daß das dem abgezweigten Licht entsprechende elektrische Signal unter Abtrennung des periodischen G-leichanteik und iJnterdrückung der Einhüllenden breitba.idtg verstärkt und anschließend einer Spitzenglek.irichtung unterworfen wird.

— daß das dadurch erzeugte Richtsignal nach Unterdrückung seines Gleichanteils mit einem Normsignal verglichen wird und

— daß der Mittelwert des erzeugten Vergleichssignals zur Vorstromregelung dient

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Vorstrom eine Sinusschwingung überlagert ist

3. Verfahren nach Patentansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem zu übertragenden Signal um ein digitales Signal handelt

4. Verfahren nach Patentansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem zu übertragenden Signal um ein amplitudendiskretes analoges Signal handelt, das vorzugsweise frequenz- oder pulsphasenmoduliert ist

5. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Sinusschwingung etwa 10 kHz beträgt

6. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Sinusschwingung etwa 1% der Vorstromamplitude beträgt

7. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Richtsignal die Unterschreitung der Schwelle durch das Pilotsignal signalisierende negative Halbwellen aufweist und mit dem Normsignal hinsichtlich der Dauer der negativen Halbwellen verglichen wird und daß das Normsignal aus der periodischen Schwingung abgeleitet wird.

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Regelung des Vorstroms von Laserdioden, die als Lichtsender in den Sendestufen von Lichtwellenleiter enthaltenden Signalübertragungssystemen eingesetzt sind und aus deren Lichtstrom ein Teil abgezweigt und in eine elektrische Größe umgewandelt wird, die ihrerseits verstärkt und für Regelungszwecke verwendet wird.

Digitale Lichtwellenleiter-Übertragungssysteme weisen insbesondere bei hohen Übertragungsgeschwindigkeiten als optische Sender in der Regel Gallium-AIuminium-Arsenid-Laserdioden auf. Derartige Laserdioden besitzen eine geknickte Licht-Strom-Kennlinie, die beispielsweise in der Fig.2b dargestellt ist. Der im Knick der Kennlinie auftretende Strom I,_w wird dabei als Schwellenstrom bezeichnet. Durch diese Schwelle ergibt sich sowohl eine Einschaltverzögerung als auch ein Gleichrichtereffekt für den durch die Laserdiode fließenden Modulationsstrom. Insbesondere bei der Übertragung digitaler Signale mit hohen Bitraten kann eine derartige Einschaltverzögerung nicht hingenommen werden, der Laserdiode wird deshalb ein Vorstrom Io zugeführt, der in seiner Größe dem Schwellenstrom weitgehend entspricht. Da aber sowohl der Schwellenstrom als auch die Steilheit des anschließenden Kennlinienastes der Laserdiode temperatur- und alterungsabhängig sind, wird eine Regelung für den Schwellenstrom benötigt.

Eine erste aus NTZ, Bd. 31 (1978) Seiten 579 und 580 bekannte Regelung ist so aufgebaut, daß die absolute Lichtausgangsleistung der Laserdiode mit Hilfe eines Photoempfängers gemessen und mit einem eingestell ten Sollwert verglichen wird. Bei Abweichung der Lichtleistung vom Sollwert wird zur Regelung der mittleren Lichtleistung der Vorstrom der Laserdiode so nachgeregelt, daß die Differenz zwischen Istwert und Sollwert der Lichtausgangsleistung verschwindet Bei dieser Art der Regelung kann jedoch nicht zwischen jiner Änderung des Schwellenstromes und einer Änderung der Steilheit der Laserdiodenkennlinie unterschieden werden. Eine Abnahme der Steilheit würde bei dieser Art der Regelung zu einer übermäßi gen Erhöhung des Vorstromes über den Schwellen strom hinaus führen und den möglichen Modulationshub zwangsläufig verkleinern. Dadurch enthielte dann die mittlere Lichtleistung einen zu großen Gleichlichtanteil, der zu einem erhöhten Empfängerrauschen führte und

außerdem den Anteil des modulierten Lichts verkleinerte.

Bei einer in einem älteren Vorschlag entsprechend der DE-OS 28 13 513 enthaltenen Regelschaltung mit einer Spitzenwert- und einer Gleichlichtregelung werden sowohl Vorstrom als auch Modulationsstrom über zwei getrennte Regelschleifen nachgeführt. Die im nachfolgenden nicht weiter betrachtete Regelung des Modulationsstromes erfolgt dort durch Messung des

Spitzenwertes der Lichtleistung, während zur Regelung des Vorstromes die dem Gleichlichtanteil der Laserdiode proportionale Größe durch Differenzbildung zwischen Spitzenwert und Mittelwert der Lichtleistung gewonnen wird. Bedingt durch diese Differenzbildung zwischen zwei nahezu gleich großen Größen steigt jedoch die Empfindlichkeit der Regelschaltung stark an. Kleine Verstärkungsäncierungen in den zur Messung von Spitzen- und Mittelwert benötigten Verstärkern führen zu größeren Regelabweichungen. Dies ist besonders bei hohen Bitraten kritisch, da wegen der großen Verstärkerbandbreite einerseits nur ein geringer Gegenkopplungsgrad möglich ist und andererseits die Abweichung des Vorsiromes vom gewünschten Wert nur sehr klein sein darf, um die Zeitverzögerung beim Einschalten der Laserdiode sehr gering zu halten.

Die angeführten Regelschaltungen besitzen einen gemeinsamen Nachteil, der sich aus der Messung des Lichts der Laserdiode ergibt Es wird nämlich nicht das von der Laserdiode an die Lichtwellenleiterstrecke abgegebene Licht gemessen, sondern das vom hinteren Spiegel der Laserdiode emittierte Licht Bei unterschiedlicher Alterung der beiden Spiegel ergeben sich dann zwangsläufig Regelabweichungen.

Aus der DE-AS 22 18 431 ist außerdem bereits eine Schaltungsanordnung zur Kompensation des nichtlinearen Zusammenhangs zwischen angelegter Spannung und Lichtausstrahlung bei Lumineszenzdioden bekannt. Dabei wird ein Teil des abgestrahlten Lichtes abgezweigt, und eine elektrische Größe umgewandelt, diese verstärkt und ein der Regelung dienendes elektrisches Signal erzeugt. Bei dieser Schaltungsanordnung erfolgt keine Regelung des Vorstromes, sondern eine Regelung des Modulationsstromes. Bei Anwendung auf Laserdioden würde bei einem Ansteigen des Vorstromes über den Schwellenstrom hinaus die Amplitude des abgestrahlten Lichtes durch Auftreten eines Gleichanteiles zunehmen und daraufhin, obwohl die dem Übertragungssignal entsprechende Lichtmenge sich nicht erhöht hat, der Modulationsstrom verringert und dadurch zwar die gleiche Lichtamplitude wieder eingeregelt, der Anteil des Übertragungssignals im ausgestrahlten Licht aber verringert werden. Dadurch kann es zu einer Störung der Signalübertragung kommen.

Aus der DE-OS 25 29 479 ist ein.c Temperaturstabilisierung eines optischen Empfängers bekannt, wobei als optischer Empfänger ein Halbleiterbauelement mit temperaturabhängiger interner Stromverstärkung dient. Dazu wird au.«· den Ausgangssignalen des Empfängers eine Spannung gewonnen, die mit einer vorgebbaren Referenzspznnung verglichen wird und die bei Abweichungen zu einer Regelung der vorspannung verwendet wird. Die Licht-Stromkennlinie derartiger Halbleiterbauelemente ist aber über einen vergleichsweise größeren Bereich linear, so daß eine exakte Nachführung der Vorspannung oder des Vorstromes nach einem sich ändernden Schwellenwert nicht notwendig ist.

Es ist schließlich aus der Meßplatzbeschreibung LD-I der Firma Wandel u. Göltefffiänn ein Meßplatz für Gruppenlaufzeit- und Dämpfungsverzerruiigen bekannt, bei dem einem höherfrequenten Nutzsignal ein Hilfssignal mit geringerer Frequenz und Amplitude überlagert wird. Dieses Hilfssignal kann empfangsseitig für Regelzwecke verwendet werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht also darin, das eingangs genannte Verfahren so weiterzuentwickeln, daß eine Ausregelung von temperatur- und alterungsabhängigen Änderungen des Schwellerjstromes mittels Regelung des Vorstromes in einfacher Weise und erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst

Als besonders vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich, daß zur Regelung der absolute Wert der Lichtleistung nicht benötigt wird, daß

id Verstärkungsänderungen und unterschiedliche Durchlässigkeiten der beiden Spiegel der Laserdiode keinen Einfluß auf die Regelgenauigkeit haben und daß innerhalb eines gewissen Bereiches der Vorstrom sowohl kleiner als auch größer als der Schwellenstrom

r> der Laserdiode einstellbar ist Dadurch kann auch bei hohen Bitraten des übertragenen digitalen Signals eine optimale Impulswiedergabe erreicht werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich dadurch, daß dem

2Ii Vorstrom eine Sinusschwingung überlagert ist

Das erfindungsgemäße Verfahre» ist breit einsetzbar. So ist es sowohl möglich, daß es sich bei dem Übertragungssignal um ein digitales Signal handelt; es ist aber auch möglich, daß es sich bei dem Übertra-

>"> gungssignal um amplitudendiskretes analoges Signal handelt, das vorzugsweise frequenz- oder pulsphasenmoduliert ist

Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich dadurch, daß im Hinblick auf eine leichte

«ι Meßbarkeit die Frequenz der Sinusschwingung etwa 10 kHz beträgt, und daß zur Vermeidung von Störungen bei der Übertragung des digitalen Signals die Amplitude der Sinusschwingung etwa 1 % der Vorstromamplitude beträgt

r. Im Hinblick auf einen einfachen Aufbau der auf dem erfindungsgemäßen Verfahren basierenden Anordnungen ist es zweckmäßig, daß das Richtsignal mit dem Normsignal hinsichtlich der Länge der negativen Halbwellen verglichen wird.

4(i Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert werden.
In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 die Prinzipschaltung zur Vors'romregelung von Laserdioden,

4j Fig.2 die Entstehung von Verzeirungen bei der

Übertragung der zur Regelung benötigten Schwingung, Fig.3 im Falle a das Laserausgangssignal und die

Richtspannung nach Spitzenwertgleichrichtung und Kondensatorkopplung, sofern der Vorstrom kleiner als

'■" der Schwellstrom ist und im Falle b bei einem den Schwellenstrom überschreitenden Vorstrom,
F i g. 4 weitere Signaldiagramme und
Fig.5 eine erweiterte Prinzipschaltung zur Vorsironiregelung.

y> In der Fig. 1 ist mit LDdie betrachtet; Laserdiode bezeichnet, die optisch an einen Lichtwellenleiter LWl. angekoppelt ist und der am Punkte a ein Steuerstrom zugeführt wird. Der Steuerstrom setzt sich aus dem Modulationsstrorr /_mod und dem Vorstrom I₀ mit

bo überlagertem Pilotsignalstrom I_P zusammen. Die Amplitude des Pilotsignaistroms liegt bei 1% der Amplitude des Vorstroms /» während als Frec,uenz für das Pilotsignal 10 kHz gewählt wurde. In der Fig. 2 ist der am Punkte a auftretende Strom bei a, die Licht-Strom-

b5 kennlinie der LaserJiode bei b und die weiteren in der Fig. 1 auftretenden Signale unter den gleichen Ziffern wie in der Fig. 1 dargestellt. Aus der Fig. 2b ist ersichtlich, daß die Licht-Stromkpnnlinir* Hnr I ntprHinrlo

durch die Schwelle 5 insgesamt einen nichtlinearen Verlauf hat. Dadurch ergeben sich im optischen Ausgangssignal der Laserdiode bestimmte Verzerrungen des Piloisignals, die ein Maß für die Abweichung des Vorstroms /„ vom Tatsächlichen Schwellenstrom /,» ergeben. Wie aus der F i g. 2 ersichtlich, erfolgt während der positiven Halbwelle des Pilotsignals die Strom-Licht-Umsetzung unverzerrt, da die Laserdiode während dieser Halbwelle im linearen Teil der Laser-Kennlinie betrieben wird. Während der negativen Halbwellen des Pilotsignals liegt nur ein Teil des Modulationsstroms über dem Schwellenstrom, so daß sich während der negativen Halbwellen nur eine geringe Veränderung des von der Laserdiode abgegebenen Lichtes ergibt.

Das emittierte Licht c ist in der Fig. 2 ebenfalls dargestellt: es wird von einer Photodiode PD empfangen und in ein elektrisches Signal umgesetzt, aus dem an einem Abschlußwiderstand eine Spannung erzeugt wird. Mit dem Äbscnlußwiucisiänd ist sin brcitbändigcr Wechselspannungsverstärker Vl verbunden, der eine relativ hohe untere Grenzfrequenz aufweist, durch die die mitübertragenen Reste des Pilotsignals eliminiert werden. Damit wird nur ein den einzelnen Lichtimpulsen entsprechendes elektrisches Signal weiterverstärkt; die durch das Pilotsignal verursachte Abweichung von dem durch den Vorstrom eingestellten Arbeitspunkt bleibt aber als unterschiedliche Höhe der Lichtimpulse erhalten. Am Ausgang des Verstärkers Vl entsteht das Signal d. das nach einer Spitzenwertgleichrichtung durch die über den Kondensator Ci angeschlossene Diode D 1 das Gleichspannungssignal eergibt.

Nach weiterer Verstärkung im zweiten Verstärker V2 wird durch den zweiten Kondensator C2 der Gleichspannungsanteil abgetrennt, so daß das Signal f entsteht. Dieses Signal wird zur Eliminierung des Absolutwertes dem Komparator Ko zugeführt, dessen Aüsgangssigr.s! bei g dargestellt ist Der Komparator handelsüblicher Art ist dabei so eingerichtet, daß die Dauer /„ des Nullimpulses bei 0,8 — des Pilotsignals

liegt, während das Tastverhältnis von t_o bezogen auf -Si-des Pilotsignals bei 0,4 liegt. Durch anschließende

Integration des Komparatorausgangssignals entsteht eine Gleichspannung, die proportional dem erwähnten Tastverhältnis ist.

Bei einer Erhöhung des Schwellenstroms wird die Dauer des Nullimpulses vergrößert, so daß sich die erzeugte Gleichspannung verringert und deren inverser Wert vergrößert. Im umgekehrten Fall, also bei einer Verringerung des Schwellenstroms, verringert sich die Dauer t_o des Nullimpulses und außerdem die inverse Gleichspannung. Die erzeugte inverse Gleichspannung wird in dem dritten Verstärker V3, einem Regelverstärker, weiter verstärkt und dem als Treiberstufe wirkenden vierten Verstärker V4 zugeführt. Mit dem Eingang des vierten Verstärkers VA ist außerdem der Generator PG für das Pilotsignal verbunden.

In der F i g. 3a ist wiederum die Licht-Stromkennlinie der verwendeten Laserdiode mit dem zugeführten Modulationsstrom, das jeweils entstehende Laserausgangssignal c' bzw. c" und der Verlauf der Richtspannung nach Spitzenwertgleichrichtung bei c' bzw. e" dargestellt. Im Falle der F i g. 3a ist dabei angenommen, daß der Vorstrom geringer als der Schwellenstrom /,» ist. Im Falle der Fig. 3b ist der insbesondere bei der

ί Übertragung hoher Bitraten zu bevorzugende Fall dargestellt, daß der Vorstrom I₀ den Schwellenstrom /,„ geringfügig überschreitet.

Bei den F i g. 2 und 3 wurde jeweils angenommen, daß der oberhalb der Schwelle S befindliche Kennlinienast

ι» der Laserdiode linear ist. Tatsächlich tritt aber bei Lichtleistungen von etwa 10 mW ein zweiter Knick der Licht-Stromkennlinie der Laserdiode auf, durch die die Steilheit wieder verringert wird. Dadurch wird bei hinreichend großer Aussteuerung der Laserdiode die optische Pulsamplitude während der positiven Halbwelle des Pilotsignals wieder kleiner, wobei dies zusätzlich zur Abnahme der optischen Pulsamplitude während der negativen Halbwelle des Pilotsignals erfolgt. Diese Verhällriisse sind in der F i g. 4 dargestellt. Dort ist mit a

:<> wiederum das Steuersignal dargestellt, während b die Licht-Stromkennlinie der Laserdiode mit einem zweiten Knick beim Strom \, zeigt. Durch diesen zweiten Kennlinienknick entsteht jeweils ein zusätzlicher Nullimpuls, der zu einer Phasenverschiebung der

:i Lichtspannung führt, und dadurch die Vorstromeinstellung stören könnte.

Im Hinblick auf das vorstehend geschilderte Auftreten eines f jrätzlichen Nullimpulses durch den zweiten Knick der Laserkennlinie wurde die Schaltungsanord-

jo nung nach der F i g. 1 in der in der F i g. 5 gezeigten Weise modifiziert. Die Schaltungsanordnung nach der F i g. 5 enthält wie die nach der F i g. 1 eine Laserdiode D 2, eine mit dieser optisch gekoppelte Photodiode PD 2 und nachgeschaltete erste bzw. zweite Verstärker VIl bzw. V12 mit angeschlossenem Komparator Ko 1. einen Regelverstärker V13, einen Treiberverstärker V14 und einen Pilotgenerator PC 2.

Zusätzlich sind ein zweiter und ein dritter Komparator Ko2 und Ko3 vorgesehen. Der zweite Komparator Ko 2 wird durch den Pilotgenerator PG 2 gesteuert und erzeugt an seinem Ausgang ein Rechtecksignal, das während der positiven Halbwelle des Pilotsignals gleich logisch »1«, und während der negativen Halbwelle des Pilotsignals gleich logisch »0« ist. Durch eine Verbin-

dung der Ausgänge des ersten und des zweiten Komparators Ko 1 und Ko 2 in Form einer »verdrahteten ODER-Schaltung« (wired or) ergibt sich die gewünschte Ausblendung des störenden zusätzlichen Nullimpulses, der in der F i g. 4 mit /«, bezeichnet ist.

Zusätzlich wurde in der Anordnung nach der F i g. 5 ein dritter Komparator Ko 3 vorgesehen, dessen Ausgang ständig stromführend ist und dadurch immer auf der Kollektorrestspannung liegt Am Ausgang des Komparators Ko 3 ist der Kollektorwiderstand des verwendeten Transistors gesondert dargestellt, an dem die Referenzspannung zur Arbeitspunkteinstellung für den Regelverstärker V13 abgegriffen wird. Durch den zusätzlichen Komparator Ko 3 zur Erzeugung der Referenzspannung erfolgt eine Kompensation hinsicht-Hch der Erzeugung des Laserdiodenvorstromes I₀ im Hinblick auf Temperaturänderungen und Änderungen der Versorgungsspannungen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Regelung des Vorstroms von *> Laserdioden, die als Lichtsender in den Sendestufen von Lichtwellenleiter enthaltenden Signalübertragungssystemen eingesetzt sind und aus deren Lichtstrom ein Teil abgezweigt und in eine elektrische Größe umgewandelt wird, die ihrerseits ^l(> verstärkt und für Regelungszwecke verwendet wird, dadurch gekennzeichnet,