DE3508034A1 - Schaltungsanordnung zur ansteuerung eines halbleiterlasers - Google Patents

Description

• Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Halbleiterlasers
• Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zum Regeln des Ausgangssignals eines Halbleiterlasers gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Ein solches Verfahren ist in der Patentanmeldung P 33 12 044 vorgeschlagen worden und dient sehr schnellen optischen Übertragungssystemen. In der zitierten Patentanmeldung ist jedoch nur ein Blockschaltbild zur Realisierung des genannten Regelverfahrens angegeben.
• Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art, insbesondere eine Sendestufe, anzugeben, welche sehr schnelle Ansteuerströme mit der Möglichkeit, diese Ansteuerströme für die Pilotregelung zu addieren zu erzeugen in der Lage ist.
• Die Pilotströme sollen dabei in unaufwendiger Weise für das eingangs genannte Regelverfahren korrekt und ohne störende Beeinflussung der Eigenschaften des schnellen Modulationsschalters in der Sendestufe bereit gestellt werden, wobei gleichzeitig dieser schnelle Modulationsschalter durch die Schaltungsanordnung zu realisieren ist.
• Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die gekennzeichneten Merkmale des Hauptanspruchs, Durch den Aufsatz "Laser Level-control for high bit rate optical fibre systems" von Smith und Hodgkinson, Proc. of IEEE Intern. Sympos. on Circuits and Systems, 28. bis 30.
• April 1980, Houston, Texas, Seite 926 bis 930, ist ein Sendeschaltkreis angegeben, bei dem 2 geregelte Differentialverstärker zur Erzeugung des Vorstroms bzw. des Modulationsstroms für den Halbleiterlaser verwendet werden.
• Als Modulationsschalter ist ein MOSFET-Transistor am Ausgang des Differentialverstärkers für den Modulationsstrom vorgesehen, an dessen Gate-Eingang das steuernde Datensignal und der Pilotton eingespeist werden. Ein gegenphasiges Pilottonsignal wird hinter dem Modulationsschalter direkt in die Halbleiterlaserdiode eingespeist. Diese Einkopplungen erfolgen jedoch über Widerstände bzw über eine Kapazität, welche in Reihe geschaltet sich parallel über die Gate- Source-Strecke des Datensignalschalters legen und so eine unwillkommene Kopplung bewirken.
• Die Vorteile der vorliegenden Schaltungsanordnung sind die, daß die für das eingangs genannte Regelverfahren geforderte exakte Gleichheit der Pilotstromanteile im Ausgangssignal des optischen Lasers bei Ansteuerung mit logisch 0 und logisch 1 abgleichfrei und temperaturunabhängig erreicht wird, daß keine Beschränkung der Pilotfrequenz nach unten oder oben erfolgt, so daß also eine Gleichstromkopplung oder Pilotfrequenzen bis in die Größenordnung der Signalfrequenzen ermöglicht werden (letzteres ist der Fall, weil nur NPN-Transistoren einheitlicher Technologie verwendet werden). Die Schaltung ist ferner monolithisch integrierbar und ist ferner als universeller AM-Modulator mit einstellbarer Basisbandkomponente einsetzbar.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich durch die Unteransprüche.
• Es folgt nun die Beschreibung der Erfindung anhand der Figuren.
• Die Figur 1 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung.
• Die Figur 2 gibt eine Halbleiterlaserkennlinie wieder, an welcher der modulierte Vor- und Modulationsstrom gespiegelt werden. Figur 3 schließlich zeigt ein Blockschaltbild für die gesamte Regelungsanordnung zur Durchführung des eingangs genannten Verfahrens.
• Figur 4 gibt die Anordnung nach Figur 1 wieder, jedoch mit einer kleinen Schaltungsvariante. In Figur 5 ist die Abhängigkeit der verschiedenen Stromkomponenten von den Eingangsgrößen "Daten" bzw. "Datenreferenz" und "Pilot" aufgezeigt.
• In Figur 1 ist die Halbleiterlaserdiode LD erkennbar, die mit dem Vorstrom IV, dem Modulationsstrom IM und dem Pilotstrom IP versorgt wird. Den Modulationsstrom liefert ein Differenzverstärker mit den Transistoren Ti und T2, deren gemeinsame Emitter von der Stromspiegelschaltung T3 und T4 versorgt werden. Am Kollektor T2 wird ein Ausgangsstrom der Amplitude IM geliefert, welcher mit Hilfe eines am Eingang D des ersten Transistors T1 angelegten Datensignals modulierbar ist. Der Vorstrom für die Halbleiterlaserdiode wird von einer weiteren Stromspiegelschaltung mit den Transistoren T32 und T33 geliefert, welche an ihrem Eingang SIV regelbar ist. Ein zweiter Differenzverstärker mit den Transistoren T11 und T12, deren gemeinsame Emitter wiederum über eine weitere, über ihren Eingang SIP steuerbaren Stromspiegelschaltung mit den Transistoren T13 und T14 gespeist wird, wird dazu benutzt, dem Vorstrom IV eine Pilotkomponente IP mit dem Hub IH1 zu überlagern. Der Differenzverstärker T11 und T12 wird dazu über seinen Eingang P am linken Transistor T11 angesteuert, während an der Basis des rechten Transistors T12, dessen Kollektor mit den gemeinsamen Emittern des 1. Differenzverstärkers Ti, T2 verbunden ist, eine Pilotreferenz PR angelegt ist. Wenn am Eingang P der logische Pegel hoch ist, leitet der Transistor T11, und die Pilotkomponente IH1 addiert sich zum Vorstrom IV. Wenn dagegen am Eingang P der logische Pegel niedrig ist, so ad diert sich die Pilotkomponente IH1 am gemeinsamen Emitter des ersten Differenzverstärkers T1 und T2 zum Modulationsstrom IM. Damit würde eine ebene Berandung des optischen Ausgangssignals bei Auftastung, d.h. bei Ansteuerung der Halbleiterlaserdiode mit logisch 1, also ein konstanter Pegel bei der Pfeilspitze PS gemäß Figur 2 aufgrund der konstanten Einströmung IV + ihr + | IM entstehen. Zur symmetrischen Berandung wird nun ein weiterer Differenzverstärker mit den Transistoren T21 und T22 vorgesehen, deren gemeinsame Emitter aus einer weiteren Einströmung T24 mit einem Strom IH2 gespeist werden. Der Differenzverstärker wird vom Pilotgenerator P an der Basis des rechten Transistors T22 gesteuert. Der Hilfsstrom IH2 wird vom linken Transistor T21 im Gleichtakt mit dem rechten Transistor T12 des zweiten Differenzverstärkers in die beiden Emitter des ersten Differenzverstärkers T1, T2 eingespeist und damit zum Modulationsstrom IM addiert. Aus Figur 2 ist leicht einzusehen, daß die erforderliche Amplitude des zweiten Hilfsstromes IH2 um das Verhältnis 52/l3 der Kennliniensteigungen kleiner sein muß als die erste Pilotstromkomponente IH1, um eine symmetrische Berandung PPI = PPO zu erreichen.
• Bei sich ändernder Steigung 83 der Kennlinie gemäß Figur 2 muß sich auch die Amplitude des zweiten Hilfstroms IH2 ändern und zwar im gleichen Maße wie der Modulationsstrom IM, wenn die Ausgangsleistung Pl dabei konstant bleiben soll.
• Diese gemeinsame Änderung der beiden Ströme IM und IH wird durch Steuerung der Stromquellen T4 und T24 aus einem gemeinsamen Stromspiegel mit dem Transistor T3 erzielt. Das Verhältnis IM/IH2 ist über den Spiegel faktor dieser erweiterten ersten Spiegelschaltung bestimmt. Dieser Spiegelfaktor kann durch entsprechende Dimensionierung der Transistoren T4, T24 oder durch Gegenkopplung mit externen Emitterwiderständen R4, R24, R3, welche in Figur 1 gestrichelt ge- zeichnet sind, bestimmt werden.
• In Figur 2 ist die nichtlineare Kennlinie einer Halbleiterlaserdiode mit der Anfangssteigung 81, der Steigung 2 am Knickpunkt und der hohen Steigung 7t3 als Arbeitskennlinie erkennbar. Die Kennlinie gibt die Ausgangsleistung P über den Strom 1 wieder. Nach unten sind Ansteuerströme über der Zeit t aufgetragen. Es ist der Vorstrom IV erkennbar, dem der Pilotstrom IP = IH1 mit der Periode TP überlagert ist.
• Ein Ansteuerstrom in diesem Bereich ergibt die Ausgangsmodulationsleistung PPO und entspricht der Leistung P"O", d.h. der Ausgangsleistung für eine binäre 0. Für binäre Einsen wird dem Vorstrom bzw. dem überlagerten Vorstrom ein Modulationsstrom IM überlagert, dies ergibt einen Ansteuerstrom, der gestrichelt gezeichnet ist und dem die konstante optische Ausgangsleistung PS, ebenfalls gestrichelt gezeichnet, eine ebene Berandung, entspricht. Dieser ebenen Berandung ist jedoch zusätzlich noch ein Pilotrechtecksignal in Gegenphase mit einem Hub IH2 derart überlagert, daß die Ausgangsmodulationsleistung PP1, die der Ausgangsleistung p??111 für eine binäre 1 entspricht, eine symmetrische Berandung zur Ausgangsmodulationsleistung PPO aufweist. Mit anderen Worten ausgedrückt sind die beiden Einhüllenden für die Sende-Pegel logisch 0 bzw. binär 1 gleichstark moduliert, d.h. PP1 ist gleichgroß PPO, das Ausgangssignal weist somit keine Schwankungen mit der Pilotfrequenz 1/TP auf.
• In Figur 3 ist ein Gesamtblockschaltbild für eine Halbleiterlaserregelung aufgezeichnet. Es sind die Halbleiterlaserdiode LD und eine Empfangsdiode FD erkennbar. Die Halbleiterlaserdiode wird durch den Vorstrom IV beaufschlagt, dem über ein erstes Additionsglied S1 der durch die Daten gesteuerte Modulationsstrom IM über den Schalter MSD überlagert wird. Dem Vorstrom IV wird über ein weiteres Summierglied S3 und über ein weiteres Summierglied S2 in Gegenphase ein Pilotstrom überlagert. Die überlagerung kann mittels zweier Schalter MSPO und MSP1 erfolgen, die durch den Pilotgenerator PG angesteuert werden. Die beiden Schalter können jedoch auch zusammengefaßt werden, wie in Figur 1 realisiert.
• Die Einströmungen werden durch entsprechende Umsetzer für den Modulationsstrom IM/UM, für den Pilotstrom in Gegen-.
• phase IH2/UM, für den Vorstrom IV/UV und für den den Vorstrom überlagernden Pilotstrom IHl/UPO erzeugt. Die beiden Modulationsstromeinspeisungen werden über einen Verstärker V3 angesteuert, der wiederum von der tiefpaßgefilterten Ausgangsspannung eines Synchrondemodulators SD angesteuert wird. Der Synchrondemodulator demoduliert synchron die Ausgangsspannung eines Verstärkers V1 mit dem Pilotton. Die Ausgangsspannung 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.
• Der strichliert eingerahmte Block, der als Tr bezeichnet wurde, entspricht der Treiberstufe gemäß Figur 1, mit dem einzigen Unterschied, daß die beiden Schalter MSPO und MSP1 in der Figur 1 zusammengefaßt wurden. Mit dieser Treiberstufe gemäß Figur 1 können die Ansteuerströme und -signale nicht nur für das eingangs erwähnte Pilotregelverfahren erzeugt werden, selbstverständlich können mit dieser Schaltung auch andere Pilotregelverfahren zur Anwendung kommen.
• Die Schaltung nach Figur 4 entspricht funktionsmäßig genau derjenigen nach Figur 1, wobei lediglich 2 kleine Schaltungsvarianten realisiert sind. Die sich entsprechenden Bauelemente führen die gleiche Bezeichnung. Die durch SIP ge- steuerte Stromspiegelschaltung T13, T14 ist um einen Transistor T15 erweitert, dessen Kollektor in die gemeinsamen Emitter des 1. Differenzverstärkers T1, T2 einen Modulationsstrom IPM mit der Amplitude des Pilotstroms IH1 einspeist. Des weiteren ist ein dem 1. Differenzverstärker parallel geschalteter Differenzverstärker T5, T6 eingesetzt, dessen gemeinsame Emitter von dem Pilotstrom IP aus dem Differenzverstärker Tlt, T12 gespeist werden. Durch diese Schaltung ist es möglich, den Gleichlauf von IM und k.7P in Abhängigkeit von SIM und den Gleichlauf von IP und IP nach Figur 1 bzw. IP und IPM nach Figur 4 in Abhängigkeit von SIP mit sehr hoher Genauigkeit zu erzielen.
• Das Diagramm der Figur 5a und 5b zeigt sehr illustrativ die Abhängigkeit der Ströme IP, IP bzw. IPM, IM und k-IP von den beeinflussenden Eingangsgrößen "Daten" D bzw. "Datenreferenz" DR und "Pilot" P bzw. "Pilotreferenz" PR, alle über der Zeit t aufgetragen.
• - L e e r s e i t e -

Claims (6)

1. Patentansprüche 1: Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens 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, wobei die Pilottonüberlagerung auf den Modulationssstrom in Gegenphase und mit unterschiedlicher Amplitude gegenüber derjenigen auf den Vorstrom derart erfolgt, daß die obere und die untere Einhüllende des Ausgangssignals gleiche Pilottonamplituden aufweisen, wobei der Modulationsstrom bei Erkennung eines überschüssigen gleichphasigen Pilotanteils vergrössert und bei Erkennung eines überschüssigen gegenphasigen Pilotanteils verkleinert wird und wobei das Amplitudenverhältnis von Modulationsstrom und überlagerndem gegenphasigen Pilotton konstant gehalten wird, unter Verwendung von Differenzverstärkern und Stromeinprägeschaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß ein 1. Differenzverstärker (Tt, T2) und eine 1., dessen Emitter speisende Stromspiegelschaltung (T3, T4) zur Erzeugung (D) und Regelung (SIM) des Laser-Modulationsstromes (IM) vorgesehen sind, daß eine 2. Stromspiegelschaltung (T32, T33) zur Erzeugung und Regelung (SIV) des Laser-Vorstromes (1V) vorgesehen ist, daß ein 2., von einem Pilotgenerator (P) und einer Pilotreferenz (PR) gesteuerter Differenzverstärker (teil, T12), dessen einer Kollektor (T12) mit den gemeinsamen Emittern des 1. Differenzverstärkers (T1, T2) verbunden ist, und eine 3., die Emitter dieses 2. Differenzverstärkers speisende Stromspiegelschaltung (T13, T14) vorgesehen sind, um dem Vorstrom (IV) und dem Modulationsstrom (IM) wechselweise eine Pilotkomponente (IP) mit einem 1.

   Hilfsstrom (IH1) zu überlagern, daß ein 3., ebenfalls vom Pilotgenerator (P) und der Pilotreferenz (PR) angesteuerter Differenzverstärker (T21, T22), dessen einer Kollektor (T21) ebenfalls mit den gemeinsamen Emittern des. 1, Differenzverstärkers (T1, T2) verbunden ist, und eine die Emitter dieses 3.

   Differenzverstärkers mit einem 2. Hilfsstronr (IH2) speisende 4. Einströmung (T24) derart vorgesehen sind, daß die mit den Emittern des 1. Differenzverstärkers verbundenen Kollektoren (T12, T21) des 2. und 3. Differenzverstärkers im Gleichtakt ihre Hilfsströme (Ii, IH2) zur Überlagerung auf den Modulationsstrom (IM) liefern (Fig. 1).
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB das Verhältnis von erstem zu zweitem Hilfsstrom (IH1 / IH2) den Quotienten 3/t2 aufweist, wobei <2 die mittlere Steigung der Laserkennlinie am Knick, d.h. im Ansteuerbereich der unteren Einhüllenden des optischen Ausgangssignals, und 3 die Steigung im Ansteuerbereich der oberen Einhüllenden des optischen Ausgangssignals der Laserkennlinie sind (Figur 2).
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die 4. Einströmung (T24) mit dem 1. Stromspiegel (T3, T4) basisgekoppelt ist, so daß der 2. Hilfsstrom (IH2) in gleicher Weise wie der Modulationsstrom (IM) gesteuert wird (Fig. 1).
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Modulationsstrom zu 2. Hilfsstrom (IMlIH2) durch den Spiegelfaktor bestimmt ist (Fig. 1).
5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegelfaktor durch entsprechende Dimensionierung der Transistoren (T4, T24) des 1. erweiterten Stromspiegels bestimmt ist (Fig. 1).
6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegelfaktor durch Gegenkopplung mit externen Emitterwiderständen (R4, R24, R3, gestrichelt gezeichnet) in der 1. erweiterten Stromspiegelschaltung bestimmt ist (Fig. 1).