DE3242481C2 - Verfahren zum Regeln des optischen Ausgangssignals eines Halbleiterlasers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Regeln des opt. Ausgangssignals eines Halbleiterlasers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein Regelungsverfahren der genannten Art ist durch den Aufsatz "Laser Level-Control Circuit for High-Bit-Rate Systems using a Slope Detector" von D.W. Smith in Elektronics Letters, Vol. 14, No. 24, 1978, Seiten 775 bis 776 bekanntgeworden. Bei dieser Laserregelung erfolgt eine Überlagerung des Vorstromes der Laserdiode mit einem Pilotstrom kleiner Frequenz beim Nullsignal des Modulationsstromes mit Hilfe einer schnellen Diodentorschaltung. Das Pilotsignal wird mittels Gleichrichtung aus dem Ausgangssignal einer Fotodiode, die einen Teil des Laserstrahles empfängt, detektiert, mit einer Referenz- Gleichspannung verglichen, einem Integrator zugeführt und schließlich als Regelsignal der Pulstreiberschaltung für den Modulationsstrom des Lasers zugeführt. Die Regelung des Vorstromes erfolgt durch Erfassung der mittleren Leistung. Nachteilig ist hierbei, daß die beiden Regelkreise nicht voneinander entkoppelt sind, sondern sich gegenseitig beeinflussen, und daß ein schnelles Diodengatter benötigt wird. Weiterhin nachteilig ist das Driftproblem des erforderlichen, der Fotodiode nachgeschalteten Gleichstromverstärkers, was sich insbesondere nachteilig auswirkt bei sehr kleinen optischen Empfangssignalen der Fotodiode.

In der DE 28 41 433 A1 ist ein Verfahren zur Regelung des Laserdioden zugeführten Vorstroms beschrieben, wobei dem Vorstrom eine periodische Schwingung mit gegenüber dem Übertragungssignal vergleichsweise niedriger Frequenz und geringer Amplitude überlagert und ein Teil des von der Laserdiode abgestrahlten Lichtes abgezweigt und in ein elektrisches Signal umgeformt wird, welches breitbandig verstärkt und einer Spitzenwertgleichrichtung zur Erzeugung eines Richtsignals unterworfen wird, wobei das Richtsignal mit einem Normsignal verglichen wird und der Mittelwert des erzeugten Vergleichsignals zur Vorstromregelung dient.

Die US 4347610 behandelt einen Steuerschaltkreis für den Treiberstrom eines Lasers, wobei dem Modulationsstrom additiv zwei binäre Signale von z. B. 1 kHz überlagert werden. Im empfangenen optischen und umgesetzten elektrischen Signal wird der Intermodulationsproduktgehalt dieser beiden binären Signale gemessen und als Regelgröße dem Modulationsstrom zugeführt. Bei diesem Regelkreis wird die absolute Amplitude des Pilotsignals nicht erfaßt.

Die DE 28 47 182 A1 betrifft eine Modulationsstromregelung von Laserdioden, wobei dem Vorstrom eine periodische Schwingung mit gegenüber dem Übertragungssignal vergleichsweise niedriger Frequenz und geringer Amplitude überlagert und ein Teil des von der Laserdiode abgestrahlten Lichtes abgezweigt und in ein elektrisches Signal umgeformt wird, welches breitbandig verstärkt und einer Spitzengleichrichtung zur Erzeugung eines Richtsignals unterworfen wird und wobei das Richtsignal mit einem Normsignal verglichen wird und der Spitzenwert des erzeugten Vergleichsignals zur Modulationsstromregelung dient.

In einem Aufsatz von D.W. Smith und T.G. Hodgkinson "Laser Level Control for High Bit Rate Optical Fibre Systems" in Proceedings of the IEEE Intern. Sympos. on Circuits and Systems, Houston, Texas, 28.-30. April 1980, Seiten 926-930 werden verschiedene Lasersteuerungen diskutiert, darunter auch solche, bei denen dem Vorstrom und dem Modulationsstrom ein Strom kleiner Frequenz überlagert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der obengenannten Art anzugeben, welches gestattet, die beiden Arbeitspunkte des Lasers bei Null- und Spitzenwertaussteuerung mit zwei voneinander unabhängigen Regelkreisen zu stabilisieren, wobei der Aufwand an hochfrequenten Bauelementen so gering wie möglich ist. Außerdem sollen die Regelkreise keine Gleichstromdriftprobleme aufweisen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im Anspruch 1 angegebenen Verfahrensschritten.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich der Vorteil, daß durch die Regelung mit dem Pilotstrom iP1, der in einem festen Verhältnis zum Datenpegel steht und der in Form des gefilterten Ausgangssignals des optoelektronischen Wandlers FD ein Maß für den Sendepegel darstellt, die exakte Signalspitzenleistung eingestellt und konstant gehalten wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt vor, wenn dem Vorstrom beim Nullsignal des Modulationsstromes ein weiterer Pilotstrom einer zweiten Frequenz überlagert, empfangsseitig ausgewertet und zur Regelung des Sockelarbeitspunktes des Lasers benutzt wird.

Es folgt nun die Beschreibung der Erfindung anhand der Figuren.

Die Fig. 1 und 2 zeigen zwei Prinzipschaltbilder einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Die Fig. 3 erläutert den zeitlichen Verlauf der optischen Ausgangsleistung des Halbleiterlasers. Schließlich zeigen die Fig. 4 und 5 detailliertere Stromlaufpläne zweier optimal ausgestalteter Schaltungsanordnungen zur Laserregelung.

In Fig. 1 ist die Halbleiterlaserdiode LD erkennbar, die durch die steuerbaren Stromquellen des Modulationsstromes i_m und des Vorstromes i_v angeregt wird. In einem ersten Summierglied S1 wird dem Modulationsstrom i_m ein Pilotstromsignal iP1 des Pilotgenerators PG1 überlagert, anschließend wird das Summensignal in einem Multiplizierer M mit dem aus binären Nullen und Einsen bestehenden Datensignal D multipliziert, so daß also lediglich dem Spitzenwert, der der binären Eins entspricht, des Modulationsstromes der Pilotstrom überlagert ist. Mit einem zweiten Summierglied S2 erfolgt die übliche Summenbildung zwischen Modulations- und Vorstrom i_v. Eine Fotodiode FD empfängt einen Teil der optischen Ausgangsleistung der Halbleiterlaserdiode LD und wandelt ihn in ein elektrisches Signal um, welches in einem Filter auf die Pilotfrequenz f1 gefiltert wird. Das empfangene und gefilterte Pilotstromsignal wird in einem Operationsverstärker OV1 mit dem überlagernden Pilotsignal verglichen und das Vergleichsergebnis als Regelsignal der Modulationsstromquelle i_m zugeführt. Der Verlauf der optischen Ausgangsleistung entspricht dem Spitzenwert des Verlaufs nach Fig. 3.

Durch ein einstellbares Dämpfungsglied d, das im Zweig zwischen Addierer S1 und Pilotstromgenerator PG1 eingefügt ist und das durch das Regelsignal für den Modulationsstrom i_m gesteuert wird, wird erreicht, daß zwischen Pilotstrompegel und Modulationsstrom unabhängig von der Ansteuerung der Laserdiode immer eine feste Amplitudenbeziehung besteht.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 entspricht derjenigen nach Fig. 1, wobei zusätzlich der Vorstrom mit einem zweiten Pilotstrom moduliert wird. Dies erfolgt dadurch, daß dem zweiten Summierglied S2 ein Pilotstromsignal iP2 und dem ersten Summierglied das gleiche Pilotstromsignal in Gegenphase zugeführt wird. Die beiden Pilotstromsignale werden dadurch beim binären Eins-Wert des Datensignales D kompensiert. Das von der Fotodiode FD empfangene Signal wird nun auch auf die Pilotfrequenz f2 gefiltert, mit einem Referenzsignal RF2 in einem zweiten Operationsverstärker OV2 verglichen und das Vergleichssignal der steuerbaren Vorstromquelle i_v als Regelgröße zugeführt. Selbstverständlich kann an den beiden Filterausgängen eine Gleichrichtung eingefügt werden, so daß die Referenzsignale RF1 und RF2 eine Gleichspannung sein können. Das optische Ausgangssignal Popt des Lasers hat für eine binäre Null-, Eins-Folge einen zeitlichen Verlauf gemäß der Fig. 3, wo der dazugehörige Sockelwert und der Spitzenwert, denen die den Pilotströmen iP1 und iP2 entsprechenden Signale PT1 und PT2 überlagert sind, über der Zeit t aufgetragen sind.

Bei einer der Filterung nachfolgenden Gleichrichtung des empfangenen Pilotsignals kann die Referenzspannung einen konstanten Wert aufweisen. Sofern die Signalstatistik jedoch stark schwankt, d. h. eine ungleichmäßige Verteilung von binären Nullen und Einsen im Datensignal D vorhanden ist, sollte die Referenzspannung entsprechend nachgeführt werden. Dies ist erforderlich, da die im Ausgangssignal enthaltenen Anteile der Pilotströme direkt proportional den Anteilen der binären Nullen bzw. Einsen des Datensignals sind. Eine solche Nachführung ist in Bild 5 wiedergegeben, wo das Datensignal integriert wird und einmal direkt als Referenzwert im Pilotregelkreis 1 dient und zum andern über einen entkoppelnden Verstärker dem Pilotregelkreis 2 zugeführt wird.

In den Fig. 4 und 5 ist die Multipliziererfunktion in vorteilhafter Weise in dem links oben erkennbaren Differenzverstärker für die Laserdiode LD realisiert. Der Summierer S1 und die steuerbare Modulationsstromquelle ist in dem Transistor T_m mit zugehörigen Strombegrenzungswiderständen realisiert. Der Summierer S2 nach Fig. 2 ist in den Fig. 4 und 5 jeweils als Sammelpunkt S2′ und S2′′ erkennbar, die Vorstromquelle i_v wird gebildet durch den Transistor T_v zusammen mit den angrenzenden Widerständen. Außer dem zur Ansteuerung der Laserdiode erforderlichen und allgemein eingesetzten Differenzverstärker werden keine zusätzlichen schnellen Bauelemente benötigt.

Claims (7)

1. Verfahren zum Regeln des optischen Ausgangssignals eines Halbleiterlasers (LD), dessen mit dem zu übertragenden binären digitalen Datensignal (D) modulierter Steuerstrom mittels eines Signals geregelt wird, das durch den Vergleich zwischen einem Referenzsignal und einem vom optischen Ausgangssignal des Halbleiterlasers (LD) abgeleiteten elektrischen Signal gebildet wird, wobei zur Regelung des Steuerstromes ein Pilotstrom (iP1) einer vergleichsweise niedrigen Frequenz (f1) verwendet wird und wobei das elektrische Ausgangssignal eines optoelektronischen Wandlers (FD), der das optische Ausgangssignal des Halbleiterlasers (LD) empfängt und umwandelt, auf die Pilotfrequenz (f1) gefiltert wird, das gefilterte Signal mit dem Referenzsignal (RF1) verglichen wird und das Vergleichsergebnis der Quelle des Modulationsstromes (i_m) als Regelsignal zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Pilotstrom (iP1) und der Modulationsstrom (i_m) summiert (S1) und das Summensignal zur Bildung des Steuerstroms mit dem digitalen Datensignal (D) multipliziert (M) wird, so daß der Pilotstrom (iP1) einzig und allein dem Spitzenwert des Steuerstroms aufgeprägt ist, und daß zwischen Pilotstrom (iP1) und Modulationsstrom (i_m) eine feste Amplitudenbeziehung aufrechterhalten wird, die pegelunabhängig von der Ansteuerung des Halbleiterlasers (LD) ist (Fig. 1).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vorstrom (i_v) beim binären Nullwert des Datensignals (D) ein zweiter Pilotstrom (iP2) einer vergleichsweise niedrigen zweiten Frequenz (f2) addiert (S2) wird, daß das elektrische Ausgangssignal des optoelektronischen Wandlers (FD) auf die zweite Pilotfrequenz (f2) gefiltert wird, daß das gefilterte Signal mit einem zweiten Referenzsignal (RF2) verglichen wird und daß das Vergleichsergebnis der Vorstromquelle als Regelsignal zugeführt wird (Fig. 2).

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vorstrom (i_v) auch beim binären Eins-Wert des Datensignals (D) der zweite Pilotstrom (iP2) addiert wird und daß zum Summensignal aus Pilotstrom (iP1) und Modulationsstrom (i_m) der zweite, um 180° phasenverschobene Pilotstrom (-iP2) mit gleicher Amplitude derart addiert (S1) wird, daß sich die Komponenten der zweiten Pilotströme bei einer nachfolgenden Addition (S2) des modulierten Steuerstroms und des modulierten Vorstroms kompensieren.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Referenzsignal (RF1, RF2) niederfrequente Signale mit den Pilotfrequenzen (f1, f2) sind.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzsignale (RF1, RF2) Gleichspannungen sind, die jeweils mit dem gefilterten und gleichgerichteten Ausgangssignal des optoelektronischen Wandlers (FD) verglichen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquellen der Referenzsignale (RF1, RF2) in Abhängigkeit von der binären Null- bzw. Eins- Verteilung des Datensignals (D) gesteuert werden (Fig. 5).

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Pilotstrom (iP1) mittels eines einstellbaren Dämpfungsgliedes (d) oder eines einstellbaren Verstärkers oder eines Multiplizierers einstellbar ist, welche durch das Regelsignal für den Modulationsstrom (i_m) gesteuert werden.