DE3312044A1 - Verfahren zum regeln des ausgangssignals eines halbleiterlasers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln des Ausgangssignals eines Halbleiterlasers gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Aus der Literatur sind verschiedene Schaltungen zur Regelung der Ausgangsleistung eines optischen Senders bekanntgeworden, wobei als Regelkriterien der hochfrequente Signalhub oder die absolute Amplitude eines überlagerten Pilottones benutzt werden. Zum Detektieren des Hochfrequenzsignalhubes sind schnelle Regelfotodioden und Hochfrequenzverstärker erforderlich, welche letztere eine hohe Verlustleistung aufweisen.

Bei Verfahren, welche die niederfrequenten, durch Überlagerung des Piloten hervorgerufene Schwankungen des Ausgangssignals detektieren, gibt es auf der Empfangsseite Probleme, wenn wie in den meisten Fällen sogenannte hochohmige Vorverstärker eingesetzt werden. Solche Verstärker sind sehr rauscharm, weisen aber ein Tiefpaßverhalten mit niedriger oberer

Grenzfrequenz auf, und sind dadurch sehr empfindlich gegen niederfrequente Aussteuerung. Diese führt aufgrund der hohen Verstärkung bei tiefen Frequenzen schon bei kleinen niederfrequenten Eingangspegeln zu Übersteuerungen.

Durch den Aufsatz "560 Mbit/s experimental fibre optic system" von Burgmeier und Trimmel in Proc. of 5. ECOC, Amsterdam 1979, Seiten 22.3-1 bis -4 ist ein Verfahren bekannt geworden, bei dem die durch nichtlineare Verzerrungen am Kennlinienknick erzeugten Oberwellen des überlagerten Pilottons detektiert werden und der Vorstrom entsprechend nachgeregelt wird. Auch hierbei tritt das empfangsseitige Problem des gegen niederfrequente Aussteuerung sehr empfindlichen Verstärkers auf.

Aufgabe der Erfindung war es deshalb, ein Verfahren anzugeben, das die Regelung von Vor- und Modulationsstrom eines Halbleiterlasers mit Hilfe eines überlagerten Pilottons ermöglicht, ohne daß die bei Verwendung der oben zitierten hochohmigen Vorverstärker die genannten Nachteile zutage treten.

Die Lösung erfolgt mit den im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Mitteln.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist die Vorteile auf, daß es eine Regelung des Vor- und Modulationsstroms mit Hilfe eines überlagerten Pilottons ermöglicht, ohne daß die auf der Empfangsseite eingesetzten hochohmigen Vorverstärker durch niederfrequente Eingangspegel übersteuert werden können. Dieses Regelungsverfahren gestattet weiterhin eine Signalisierung zur Überwachung von Repeaterketten (Fehlerortung).

Es folgt nun die Beschreibung der Erfindung anhand der Figuren.

In Fig. 1 ist eine Halbleiterlaserkennlinie gezeichnet, an welcher der erfindungsgemäß modulierte Vor- und Modulationsstrom gespiegelt werden.

Die Fig. 2 zeigt zwei Ausführungsbeispiele für eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die zeitlichen Verläufe von Spannungen an einigen ausgezeichneten Punkten hinzugefügt wurden.

Die Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild für eine gesamte Halbleiterlaserregelungsanordnung.

In Fig. 1 ist die nichtlineare Kennlinie einer Halbleiterlaserdiode mit der Anfangssteigung n 1 der Steigung n 2 am Knickpunkt und der hohen Steigung n 3 als Arbeitskennlinie erkennbar. Die Kennlinie gibt die Ausgangsleistung P über dem Strom I wieder. Nach unten sind Ansteuerströme über der Zeit aufgetragen. Es ist der Vorstrom I[tief V] erkennbar, dem ein Rechtecksignal 2n I[tief P] mit der Periode T[tief P] überlagert ist. Ein Ansteuerstrom in diesem Bereich ergibt die Ausgangsleistung P[tief P0] und entspricht der Leistung P[tief "0"] d.h. der Ausgangsleistung für eine binäre Null. Für binäre Einsen wird dem Vorstrom bzw. dem überlagerten Vorstrom ein Modulationsstrom I[tief M] überlagert, dem wiederum erfindungsgemäß ein Pilotrechtecksignal in Gegenphase I[hoch Strich][tief P] überlagert ist. Dies ergibt die Ausgangsleistung P[tief P1] und entspricht der Ausgangsleistung P[tief "1"] für eine binäre Eins.

Wie die Fig. 1 oben rechts deutlich zeigt, sind die beiden Einhüllenden für die Sendepegel logisch Null bzw. binär Eins etwa gleich stark moduliert, d.h. P[tief P1] ungefähr gleich P[tief P0], so daß das Signal keine Schwankungen mit der Pilotfrequenz 1/T[tief P] aufweist. Sind die beiden Einhüllenden jedoch verschieden stark moduliert, d.h. ist P[tief P1] ungleich P[tief P0], so tritt eine solche Schwankung auf. Wenn die Aussteuerung für das hochfrequente Sendesignal (P[tief S]) zu klein ist, d.h. wenn die Modulation nicht bis in den Kennlinienknick nach unten reicht, so gilt P[tief P0] größer P[tief P1], und die niederfrequenten Schwankungen des Ausgangssignals sind in Phase mit dem Pilotton (I[tief P]). Im umgekehrten Fall, wenn die hochfrequente Modulation des Sendesignals zu groß ist, so liegt der Sendepegel für die binäre Null, das ist P[tief 0] unterhalb der Schwelle, und es gilt P[tief P0] kleiner P[tief P1], und die Schwankungen des Ausgangssignals sind dann in Gegenphase zu dem Pilotton bzw. Pilotstrom I[tief P]. Es sind also drei Fälle zu unterscheiden:

1. keine Frequenzanteile 1/T[tief P] im Ausgangssignal, Sendesignal in Ordnung

2. Frequenzanteile 1/T[tief P] in Phase mit Pilotstrom I[tief P], HF-Modulation I[tief M] zu klein

3. Frequenzanteile 1/T[tief P] in Gegenphase zu Pilotstrom I[tief P], HF-Modulation von I[tief M] zu groß.

Diese drei Fälle sind in Bild 2d bis f dargestellt, wobei links die Ausgangsspannung eines Komparators U[tief K] und rechts die Ausgangsspannung U[tief A] der Gesamtschaltung über der Zeit aufgetragen sind. Die Fig. 2a und 2b zeigen zwei Ausführungsbeispiele für eine Anordnung zur Gewinnung einer Regelspannung gemäß des angemeldeten Verfahrens. In Fig. 2a ist die Fotodiode FD erkennbar, die zwischen einer Speisespannung + U[tief R] und einem Speisewiderstand R liegt und ihr Empfangssignal an einen Verstärker V abgibt. Dessen Ausgangssignal wird über einen Bandpaß BP auf die Pilotfrequenz 1/T[tief P] gefiltert und einem Komparator K zugeführt. Der Ausgang des Komparators ist über einen Kondensator auf den einen Eingang eines EXOR-Gliedes geführt, dessen anderer Eingang durch den Pilotstrom I[tief P] besetzt ist. Die Ausgangsspannung des EXOR-Gliedes ist U[tief A] in Fig. 2 c ist der Pilotstrom I[tief P] über der Zeit aufgetragen. In Fig. 2 d ist nun der erste der oben genannten drei Fälle erkennbar, wonach also keine Frequenzanteile 1/T[tief P] im Ausgangssignal vorhanden sind. Die Ausgangsspannung U[tief K] des Komparators zeigt daher Gleichspannung. Die Ausgangsspannung des EXOR-Gliedes U[tief A] zeigt entsprechend eine pulsierende Gleichspannung entsprechend dem Pilotstrom I[tief P], die nach einer Tiefpaßfilterung eine Regelspannung von U[tief A] = 0,5 ergibt. Der oben genannte dritte Fall wird in Fig. 2e veranschaulicht, wonach Frequenzanteile 1/T[tief P] in Gegenphase zum Pilotstrom I[tief P] auftreten. Der Komparator K wandelt das Empfangssignal in ein Rechtecksignal gemäß Fig. 2e um, und das EXOR-Glied führt an seinem Ausgang eine Dauer-1. Im anderen Fall werden Frequenzanteile 1/T[tief P] in Phase mit dem Pilotstrom I[tief P] herausgefiltert, und der Komparator führt nunmehr eine Rechteckspannung U[tief K] gemäß Fig. 2f, das EXOR-Glied eine Ausgangsspannung U[tief A] = Null.

Es muß nachgeschickt werden, daß davon ausgegangen wird, daß der Vorstrom mit Hilfe einer der bekannten Mittelwertsregelungen des Ausgangssignals eingestellt wird.

Die Fig. 2b zeigt eine Schaltungsausführung mit derselben Wirkung nach Fig. 2a, wobei anstelle des Komparators mit anschließendem EXOR-Glied ein Synchron-Demodulator SD, durch den das Empfangssignal mit dem Pilotstrom I[tief P] synchron demoduliert wird, verwendet wird.

In Fig. 3 ist ein Gesamtblockschaltbild für eine Halbleiterlaserregelung aufgezeichnet. Es sind die Halbleiterlaserdiode LD und eine Empfangsdiode FD erkennbar. Die Halbleiterlaserdiode wird durch den Vorstrom I[tief V] beaufschlagt, dem über ein erstes Additionsglied S1 der durch die Daten gesteuerte Modulationsstrom I[tief M] (über Schalter MSD) überlagert wird. Dem Vorstrom I[tief V] wird über ein weiteres Summierglied S3 und über ein weiteres Summierglied S2 in Gegenphase ein Pilotstrom I[tief P] überlagert. Die Überlagerung erfolgt mittels zweier Schalter MSP0 und MSP1, die durch den Pilotgenerator PG angesteuert werden. Die Einströmungen werden durch entsprechende Umsetzer für den Modulationsstrom I[tief M]/U[tief M], für den Pilotstrom I[tief P]/U[tief M], für den Vorstrom I[tief V]/U[tief V] und für den vorstromüberlagerten Pilotstrom 2n I[tief P]/U[tief P0] erzeugt. Die beiden Modulationsstromeinspeisungen werden über einen Verstärker V3 angesteuert, der wiederum von der tiefpaßgefilterten Ausgangsspannung eines Synchron-Demodulators SD angesteuert wird. Der Synchron-Demodulator demoduliert synchron die Ausgangsspannung eines Verstärkers V1 mit dem Pilotton. Die Eingangsspannung des vorgenannten Verstärkers V1 ist die hochpaßgefilterte Ausgangsspannung der Fotodiode FD. Die Vorstromregelung erfolgt über einen Tiefpaß TP, der ausgangsseitig an die Fotodiode FD angeschlossen und dem ein weiterer Verstärker V2 nachgeschaltet ist, der die Regelspannung für den Vorstromeinspeiseteil liefert.

Claims (5)

1.Verfahren zum Regeln des Ausgangssignals eines Halbleiterlasers, wobei dem Vor- und Modulationsstrom ein Pilotton überlagert wird, wobei aus dem elektrischen Ausgangssignal eines optoelektronischen Wandlers, der das optische Ausgangssignal des Halbleiterlasers empfängt und umwandelt, die Pilottonfrequenz ausgefiltert wird, und wobei der so empfangene Pilotton mit einem Referenzsignal verglichen und das Vergleichsergebnis dem Vor- bzw. Modulationsstrom als Regelsignal zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Pilottonüberlagerung auf den Modulationsstrom (I[tief M]) in Gegenphase (I[hoch Strich][tief P]) und mit unterschiedlicher Amplitude (2n I[tief P]) gegenüber derjenigen auf den Vorstrom (I[tief V]) derart erfolgt, daß die obere (P[tief P1]) und die untere Einhüllende (P[tief P0]) des Ausgangssignals gleiche Pilottonamplituden aufweisen, daß der Modulationsstrom (I[tief M]) bei Erkennung eines überschüssigen gleichphasigen Pilotanteils (2n I[tief P]) vergrößert und bei Erkennung eines überschüssigen gegenphasigen Pilotanteils (I[tief P]) verkleinert wird, und daß das Amplitudenverhältnis von Modulationsstrom (I[tief M]) und überlagerndem gegenphasigem Pilotton (I[tief P]) konstant gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pilotfrequenz etwa 100 bis 200 kHz beträgt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Amplitudenverhältnis von Modulationsstrom (I[tief M]) und überlagerndem Pilotstrom (I[tief P]) etwa 2% beträgt.

4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Komparator (K) vorgesehen ist, dem das von einer Fotodiode (FD) empfangene und verstärkte (V) sowie auf die Pilottonfrequenz gefilterte (BP) Empfangssignal zugeführt wird, und daß ein EXOR-Glied vorgesehen ist, an dessen einem Eingang die Ausgangsspannung des Komparators (K) und an dessen anderem Eingang der Pilotton (I[tief P]) anliegt und an dessen Ausgang nach Tiefpaßfilterung die Regelspannung für den Modulationsstrom (I[tief M]) abgegriffen wird.

5. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Synchron-Demodulator (SD) vorgesehen ist, dem das von einer Fotodiode (FD) empfangene und verstärkte (V) Ausgangssignal des Halbleiterlasers zugeführt wird, das mit dem Pilotton (IP) synchron demoduliert wird, und welcher an seinem Ausgang nach Tiefpaßfilterung eine Regelspannung (U[tief A]) für den Modulationsstrom (I[tief M]) des Halbleiterlasers liefert.