DE69506034T2 - Verfahren und Schaltung für die Regelung der Spitzenleistung eines Lasersenders in diskonitinuierlich sendenden optischen Sendesystemen - Google Patents

Description

• Die hier beschriebene Erfindung bezieht sich auf ein optisches Kommunikationssystem und betrifft speziell ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln der Spitzenleistung eines Lasersenders in diskontinuierlich sendenden Sendesystemen.
• Die Erfindung ist speziell anwendbar bei optischen Bitbündelsendern wie denen, die an den optischen Teilnehmer-Endstellen in passiven optischen Netzen verwendet werden, die auf Zeitteilung und Vielfachzugriff (TDMA Time Division Multiple Access) beruhen.
• Bekanntlich zeigt ein Lasersender Spitzenleistungsvariationen, die von Temperaturänderungen und von der Alterung des Bauelements abhängen. Zum Ausgleich dieser Variationen ist es deshalb allgemeine Praxis, den Lasern Systeme zum Regeln der Ausgangsleistung zuzuordnen, und zwar speziell zum Kompensieren vom Schwellenstromänderungen. Bekannte Regelungstechniken, die für kontinuierliche Übertragungen ausgelegt sind, sehen die Verwendung eines Überwachungsdetektors vor, der einen Teil der Ausgangsleistung abnimmt und ein Signal schafft, das proportional der mittleren Leistung ist und das in eine Regelungsschleife sehr niedriger Frequenz gesendet wird. Eine Beschreibung der bekannten Regelungstechnik kann man finden in "Semiconductor Devices for Optical Communication", Springer-Verlag 1982, herausgegeben von H. Kressel, Kapitel 5.6 Laser Drivers, P W. Shumate und M. Di Domenico, jr., Seiten 182 - 188.
• Bei einem optischen TDMA-Netz senden teilnehmerseitig Sender Datenpakete in diskontinuierlicher Weise (burst mode) über die Leitung, und diese teilen sich das selbe Übertragungsnetz. Es gibt auch keine Information über Datenstatistiken und über den Mittelwert des Signals innerhalb der zu sendenden Pakete. Es können also keine üblichen Systeme verwendet werden, da diese nur auf der Messung der mittleren Leistung beruhen. Außerdem ermöglichen Überwachungsdetektoren, die sich in kommerziellen Lasermoduln befinden, wegen ihrer begrenzten Frequenzantwort nicht die Realisierung von Spitzenleistungs-Regelsystemen für hohe Übertragungsraten (in der Größenordnung von Hunderten von Mbit/s oder von einigen Gbit/s oder noch höher).
• Zweck der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die die Regelung der Spitzenleistung des Lasers ermöglichen, um so die Änderungen in den Lasercharakteristiken selbst im Fall von Bitbündelübertragungen hoher Bitrate zu ermöglichen.
• Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, bei dem der Laser durch einen Strom moduliert wird, der aus der Kombination eines Schwellenstroms und eines Stroms aufgrund eines Datensignals resultiert, wobei man einen Bruchteil des Ausgangssignals des Lasers abnimmt und in einen Überwachungsstrom umwandelt, den Überwachungsstrom abtastet, einen Ist Wert der Spitzenleistung als Mittelwert ermittelt, der über eine gegebene Anzahl von Abtastwerten des Überwachungsstroms berechnet wird, den so erhaltenen Ist Wert der Spitzenleistung mit einem Soll Wert der Spitzenleistung vergleicht und aus der Differenz, falls eine auftritt, zwischen dem Sollwert und dem Ist-Wert einen fortgeschriebenen Wert für den Laser-Schwellenstrom ermittelt, welcher derart ist, daß er die Differenz ausgleicht.
• Die Erfindung schafft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit: einer Schaltung zum Abtasten des Überwachungsstroms; und einer Verarbeitungseinheit, die für folgende Funktionen gebaut ist: Erhalten des Ist Werts der Spitzenleistung als Mittelwert über einer gegebenen Anzahl von Abtastwerten des Überwachungsstroms; Vergleichen des aktuellen Werts der so ermittelten Spitzenleistung mit einem Soll-Wert dieser Leistung; Ermitteln eines fortgeschriebenen Werts für den Laserschwellenstrom aus der Differenz zwischen dem Soll Wert und dem Ist-Wert so, daß die Differenz ausgeglichen wird; und Liefern des fortgeschriebenen Werts an den Schwellenstromgenerator.
• Zur weiteren Veranschaulichung wird Bezug genommen auf die anliegenden Zeichnungen. Es zeigen:
• Fig. 1 den Blockschaltplan des Teilnehmersenders eines erfindungsgemäßen Sendesystems mit diskontinuierlicher Übertragung;
• Fig. 2 der Schaltplan für die erfindungsgemäße Regelvorrichtung für die Spitzenleistung;
• Fig. 3 einen Ablaufplan der Betriebsschritte der Verarbeitungseinheit der Vorrichtung; und
• Fig. 4 einige Zeitsteuersignale der Betriebsschritte der Vorrichtung.
• Fig. 1 zeigt den Schaltplan eines optischen Teilnehmersenders eines passiven optischen Netzes in TDMA-Technik. Wo erforderlich, wird in nicht begrenzender Beispielsbeschreibung auf eine 622 Mbit/s-Übertragung Bezug genommen, die in ATM-Zeilen von 53 Bytes mit einem Vorläufer von 3 Bytes einschließlich einer Sicherheitszeit von 1 Byte und einem eindeutigen Wort mit drei anfänglichen Bits, die alle 1 er sind, organisiert sind. Außerdem wird davon ausgegangen, daß der Sender während der Sicherheitszeiten abgeschaltet ist, so daß während dieser Zeiten keine optische Leistung auf der Leitung ist.
• Ein kommerzieller Lasersender TL enthält zusätzlich zum tatsächlichen Laser L einen Regel- oder Überwachungs-Detektor RV und eventuell eine Kühlvorrichtung RF und einen Thermistor TE, denen übliche externe Vorrichtungen CT zur Temperaturregelung zugeordnet sind. Der Laser L wird durch einen Strom moduliert, der durch Kombinieren eines Stroms Id, der auf einem Datensignal beruht, und eines Schwellenstroms IS, in einem Addierer SM, erhalten wird. Diese Ströme werden von jeweiligen Generatoren GD bzw. GS1 geliefert. Die zwei Generatoren empfangen von einer nicht dargestellten Datenquelle das Datensignal bzw ein Zellenhüllsignal, das es dem Generator GS1 erlaubt, daß er in Übereinstimmung mit der ansteigenden Flanke des ersten Bits des Pakets eingeschaltet wird und in Übereinstimmung mit der abfallenden Flanke des letzten Bits abgeschaltet wird. Die beiden Signale liegen auf Leitern 1 bzw. 2 vor.
• Der Schwellenstromgenerator GS1 wird von einer Spitzenleistungs-Regelschaltung CP getrieben, die den Gegenstand der Erfindung darstellt. Die Schaltung CP beruht auf der schnellen Akquisition, für eine bestimmte Anzahl aufeinanderfolgender Zellen, eines Werts Im des Ausgangsstroms des Detektors RV nach den ersten drei Bit des eindeutigen Worts, und auf einer mittelwertbildenden Verarbeitung der empfangenen Daten. Durch diese Verarbeitungsoperationen bestimmt CP den Ist-Wert der Spitzenleistung, vergleicht diesen Wert mit einem gegebenen Referenzwert und berechnet auf der Basis dieses Vergleichs einen korrekten Wert für den Schwellenstrom IS, den die Schaltung CP dem Generator GS1 einspeist. Der Ausgangsstrom Im vom Detektor R1/ wird an die Schaltung CP über einen Leiter 3 geliefert, nachdem er in einem Breitbandverstärker AM verstärkt worden ist, dessen Verstärkung und Grenzfrequenz zum Ausgleichen von Differenzen in der Antwort und Bandbreite zwischen den verschiedenen Detektoren einstellbar sind. CP beliefert den Generator GS1 mit dem korrekten Wert von IS über eine Verbindung 4 zusammen mit einem Ladebefehl, der über einen Leiter 5 gesendet wird. Die Schaltung CP empfängt außerdem über den Leiter 2 das Zellenhüllsignal, das dazu verwendet wird, die erforderlichen Zeitsteuersignale für die Betriebsschritte von CP zu erhalten.
• Wie Fig. 2 zeigt, enthält die Schaltung CP einen Gleichrichter RD zum Gleichrichten des Signals am Leiter 3 und einen Kondensator C, der das gleichgerichtete Signal speichert und am Ende jedes Pakets entladen wird, und zwar unabhängig davon, was im übrigen Teil der Schaltung vor sich geht; speziell bleibt der Kondensator C über einen Schalter IN für eine Zeitspanne geerdet, die an der abfallenden Flanke des Zellen-Hüllsignals beginnt und der Dauer einiger Bit (typischerweise 2 oder 3) entspricht. Der Schalter IN wird von einem Signal SC gesteuert, das über einen Leiter 6 von einer Zeitbasis BT geliefert wird, die die für die Operationen von CP erforderlichen Zeitsteuersignale aus dem auf dem Leiter 2 liegenden Zellen-Hüllsignal entnimmt. Der Speicherkondensator C ist nicht unentbehrlich; sein Vorhandensein ermöglicht jedoch breitere Toleranzen für den Abtastzeitpunkt und erlaubt die Verwendung langsamerer und somit billigerer Tast- und Halte-Schaltungen. Das gleichgerichtete Signal wird dann einer Tast- und Halte- Schaltung SH eingegeben, die von der Zeitbasis BT gesteuert wird. Das die Schaltung SH verlassende Signal wird, nachdem es von einem Analog/Digital-Wandler AD umgeformt worden ist, einer Verarbeitungseinheit UE eingegeben, die die zum Erhalten des Werts IS erforderlichen Operationen durchführt. Diese Operationen werden später in detaillierterer Weise beschrieben. Der Wandler AD empfängt von der Zeitbasis BT ein Wandlungsbeginn-Signal SOC und erzeugt ein Wandlungsende-Signal EOC; während der Wandlung ist die Hereinnahme neuer Abtastwerte gesperrt, so daß das Wandlungsende-Signal auch ein Einschaltsignal für die Schaltung SH darstellt.
• Werden die Verarbeitungszeiten von AD berücksichtigt, so kann es vorkommen, daß die Aufnahme des Spitzenwerts nicht in Übereinstimmung mit allen Zellen erledigt wird. Speziell im oben erwähnten Beispiel hat jede Zelle eine Dauer von etwa 0,7 us, während die Wandlungszeit des Wandlers AD etwa 20 us beträgt und während dieser Zeit die Aufnahme neuer Abtastwerte gesperrt bleibt. Diese Tatsache ist jedoch ohne Bedeutung, da Spitzenleistungsänderungen normalerweise sehr langsam im Vergleich zur Minimum- Zeitspanne zwischen aufeinanderfolgenden Abtastwerten ist.
• Am Ende der Verarbeitungsoperationen wird der berechnete Wert IS auf der Verbindung 4 ausgewiesen und in einem nicht dargestellten Digital/Analog-Wandler, der Teil des Generators GS1 ist, in analoge Form umgewandelt; das Laden von IS in GS1 wird durch das am Leiter 5 vorliegende Signal gesteuert.
• Man beachte, daß der Wandler AD und die Verarbeitungseinheit UE beide zu einem einzigen kommerziellen Mikroprozessor MP integriert sein können.
• Die von UE durchgeführten Verarbeitungsoperationen sind die folgenden:
• Es seien: IS = Wert des zu berechnenden Schwellenstroms; Is; = eingestellter Wert des Schwellenstroms; Imod = Gesamtmodulationsstrom, gegeben durch die Summe des Schwellenstroms und des Datenstroms Id; Pp = Spitzenleistung; Pr = aufrechtzuerhaltende Spitzenleistung (Referenz- oder Sollwert); η&sub1; = opto-elektrischer Umwandlungs- Wirkungsgrad der Photodiode RV, η2 = differentielle Quanteneffizienz des Lasers.
• Die Verarbeitungseinheit empfängt eine Anzahl N aufeinanderfolgender Abtastwerte des Stroms Im, der vom Detektor RV geliefert wird, und ermittelt Ip und Pp für jeden Abtastwert. Ip wird gemäß der folgenden Beziehung berechnet:
• Im (t) = Ip (1 e-t/τ) (1)
• wobei t = die Dauer der genannten drei Bit des eindeutigen Worts (4,8 ns im betrachteten Beispiel), und t = die Ladezeitkonstante der Gesamtkapazität des Detektors RV und Verstärkers AM. Die Spitzenleistung Pp wird aus Ip gemäß der Beziehung Pp = Ip/η&sub1; erhalten. Am Ende der Folge von Abtastwerten berechnet UE den Mittelwert Pp* der ermittelten Werte Pp, vergleicht ihn mit dem Sollwert Pr und berechnet die Änderung des gesamten Modulationsstroms, gegeben durch
• ΔImod = (Pr - Pp*)η&sub2; (2)
• Da andererseits der Datenstrom Id nicht geregelt ist, gilt:
• ΔImod = (Is + Id) - (Isi + Id) - Is - Isi = ΔIs (3)
• Durch Gleichsetzung der zweiten Ausdrücke der Gleichungen (2) und (3) wird der neue, an GS1 zu liefernde Schwellenstromwert Is = Is; + (Pr - Pp*)/η&sub2; erhalten. Die Schaltung wird initialisiert, indem ein Anfangswert des Schwellenstroms Isi = Iss in die Verarbeitungseinheit UE geladen wird, wobei Iss dem Nennwert des Schwellenstroms des Lasers zu Beginn von dessen Lebenszeit entspricht. Das Laden von Iss ist schematisch durch die Darstellung eines Generators GS2 angegeben, offensichtlich ist jedoch dieses Laden auch softwaremäßig möglich. Am Ende jedes Berechnungszyklus des korrekten Schwellenstroms wird der Wert von Isi mit dem neuen Wert von IS fortgeschrieben. Unterscheiden sich zwei aufeinanderfolgende Werte Pp* um ein Maß, das höher ist als eine gegebene Schwelle, so kann die Zahl N so verändert werden, daß häufigere Fortschreibungen stattfinden. Die beschriebenen Operationen sind außerdem im Ablaufdiagramm in Fig. 3 dargestellt.
• Das Vorhandensein des Analog/Digital Wandlers nachrichtenstromoberhalb der Verarbeitungseinheit bedingt die Einführung eines Quantisierungsfehlers bei der Berechnung des Werts Is: dieser Fehler hängt schließlich von der Gewichtung ab, die dem Bit niedrigster Wertigkeit zugewiesen wird, wobei diese Gewichtung durch das Verhältnis zwischen dem Maximalwert, den der Strom IS annehmen kann, und der Zahl von für die Wandlung verfügbaren Konfigurationen (2n, wobei n der Parallelismus des Wandlers ist) definiert ist; typischerweise werden 8-Bit-Wandler verwendet und diese stellen ein ausreichendes Maß an Annäherung sicher.
• Die Zahl der für die Mittelwertbildung herangezogenen Abtastwerte hängt von den speziellen Anforderungen des Senders ab: Beispielsweise ist es möglich, entweder eine genauere Korrektur (die eine höhere Zahl von Abtastwerten erfordert) oder eine schnellere Korrektur zu wählen. Der erstere Fall tritt ein, wenn eine Temperaturregelung durchgeführt wird, so daß es keine speziellen Schnelligkeitserfordernisse gibt und es möglich ist, für die Mittelwertbildung auch die hohe Zahl von 100 Abtastwerten heranzuziehen; wird andererseits keine Temperaturregelung durchgeführt, so wird das Erfordernis der Durchführung schneller Korrekturen vordringlich, so daß für typische Übertragungsraten der Mittelwert über einer kleineren Zahl von Abtastwerten, typischerweise 2 bis 4, berechnet wird. Da es sich um eine Bitbündel-Übertragung handelt, kann es geschehen, daß ein bestimmter Sender für eine relativ lange Zeitspanne inaktiv bleibt, so daß die Regelung der Charakteristik gemäß der Erfindung nicht möglich wäre; tatsächlich sehen jedoch die gegenwärtig im Gebrauch befindlichen Kommunikationsprotokolle vor, daß jeder Sender seine eigene Effizienz durch periodisches Senden einer speziellen Zelle entlang dem Netz sendet, und somit ist es möglich, innerhalb einer so bemessenen Zeit, daß Regelungsverlustprobleme vermieden werden, eine Serie von Abtastwerten zu erhalten, die die Durchführung der Korrektur des Schwellenstroms erlaubt.
• Fig. 4 zeigt für zwei Zellen c&sub1;, c&sub2;, die in die Abtastung einbezogen sind, die Zellen- Hüllkurve (Zeile 2), wobei das Signal SC die Entladung des Kondensators C, das eindeutige Wort UW, die gleichgerichtete Antwort des Detektors RV auf dieses Wort (Zeile RD), das Signal S/H, das das Tasten und Halten in SH steuert, und die Signale SOC und EOC für den Anfang und das Ende der Umwandlung steuert; tg&sub1; und tg&sub2; sind die Sicherheitszeiten, die dem eindeutigen Wort der beiden Zellen vorausgehen. Die Bedeutung der verschiedenen Signale ist aufgrund der vorhergehenden Beschreibung klar. Man beachte, daß das Abtasten des am Ausgang von RD vorliegenden Signals in Übereinstimmung mit jedem beliebigen Punkt des eindeutigen Worts anschließend an das dritte Bit erfolgen kann.
• In der obigen Beschreibung wurde die Arbeitshypothese gemacht, daß die Änderungen der Lasercharakteristik nur den Schwellenstrom Is betreffen, tatsächlich ist es jedoch möglich, daß seine Quantumeffizienz, d. h. das Verhältnis zwischen der emittierten optischen Leistung und der angelegten Stromstärke sich ebenfalls ändert. Speziell die Quantumeffizienz tendiert dazu, mit der Zeit abzunehmen, wie aus dem Abfallen der Leistungs-Strom-Charakteristik für Ströme über dem Schwellenstrom ersichtlich ist. Um dies zu berücksichtigen, wäre es möglich, eine zweite Regelschleife zu schaffen, indem Instrumente verwendet werden, die dieses genannte Verhältnis überwachen können und in Kombination mit der beschriebenen Schaltung wirken können, um die Leistung in genauerer Weise zu regeln. Die beschriebene Schaltung würde dann stillgesetzt, während das Abfallen geregelt wird.
• Ersichtlich sind viele Modifikationen, Anpassungen, Einbeziehungen, Änderungen und Ersetzungen der Elemente durch andere funktionell äquivalente an der beispielhaft beschriebenen Ausführungsform möglich, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Speziell kann ersichtlich die Verarbeitungseinheit den Mittelwert der Werte des Stroms Im berechnen und Pp* aus einem Mittelwert Im* ermitteln.

Claims (10)

1. Verfahren zum Regeln der Spitzenleistung eines Lasersenders in einem diskontinuierlichen Sendesystem, bei dem der Laser (L) durch einen modulierenden Strom moduliert wird, der aus einer Kombination eines Schwellenstroms und eines Stroms aufgrund eines Datensignals resultiert, wobei man einen Bruchteil des Ausgangssignals des Lasers abnimmt und in einen Überwachungsstrom umwandelt, den Überwachungsstrom abtastet, einen Ist-Wert der Spitzenleistung als Mittelwert ermittelt, der über eine gegebene Anzahl von Abtastwerten des Überwachungsstroms berechnet wird, den so erhaltenen Ist- Wert der Spitzenleistung mit einem Soll-Wert der Spitzenleistung vergleicht und aus der Differenz, falls eine auftritt, zwischen dem Sollwert und dem Ist-Wert einen fortgeschriebenen Wert für den Laser-Schwellenstrom ermittelt, welcher derart ist, daß er die Differenz ausgleicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man vor dem Abtasten den Überwachungsstrom gleichrichtet und den gleichgerichteten Strom in einem Speicherkondensator (C) speichert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Abtastwerte des Überwachungsstroms in digitale Form umwandelt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die diskontinuierliche Sendung eine Paketübertragung ist, bei der jedes Paket mit einem eindeutigen Wort startet, das eine Anfangs-Gruppe von Bits mit einem voreingestellten logischen Wert umfaßt, und daß man das Abtasten in Übereinstimmung mit diesem Wort nach dem letzten Bit dieser Gruppe durchführt.

5. Verfahren nach dem auf Anspruch 2 rückbezogenen Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den Überwachungsstrom für eine Zeitspanne entsprechend der Dauer eines Pakets speichert.

6. Vorrichtung zum Regeln der Spitzenleistung eines Lasersenders (TL) in einem diskontinuierlichen Sendesystem, bei dem der Laser (L) durch einen Strom moduliert wird, der aus der Kombination eines von einem Schwellenstromgenerator (GS1) gelieferten Schwellenstroms mit einem auf einem Datensignal, das von einem Datenstromgenerator (GD) geliefert wird, beruhenden Strom resultiert und dem ein Überwachungsdetektor (RV) zugeordnet ist, der einen Bruchteil des Ausgangssignals des Lasers abnimmt und ihn in einen Überwachungsstrom umwandelt, mit folgenden weiteren Komponenten:

- einer Schaltung (SH) zum Abtasten des Überwachungsstroms; und

- einer Verarbeitungseinheit (UE), die für folgende Funktionen gebaut ist: Erhalten des Ist-Werts der Spitzenleistung als Mittelwert: über einer gegebenen Anzahl von Abtastwerten des Überwachungsstroms; Vergleichen des aktuellen Werts der so ermittelten Spitzenleistung mit einem Soll-Wert dieser Leistung; Ermitteln eines fortgeschriebenen Werts für den Laserschwellenstrom aus der Differenz zwischen dem Soll-Wert und dem Ist-Wert so, daß die Differenz ausgeglichen wird; und Liefern des fortgeschriebenen Werts an den Schwellenstromgenerator (GS1).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie oberhalb der Abtastschaltung (SH) einen Speicherkondensator (C) enthält.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinheit (UE) mit einem Wert des Schwellenstroms, der mit dem nominalen Schwellenstrom des Lasers (L) zu Beginn von dessen Lebenszeit übereinstimmt, initialisiert wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Lasersender (TL) ein Teilnehmersender eines optischen Kommunikationsnetzes in einer Technik mit Zeitteilung und Vielfachzugriff, der sogenannten TDMA-Technik, ist, bei der Pakete gesendet werden, die mit einem eine Anfangsgruppe von Bits mit einem voreingestellten logischen Wert umfassenden Wort beginnen, und daß die Abtastschaltung (SH) zum Abtasten des vom Detektor (RV) in Antwort auf den Teil des Beginn Worts, der dieser Bit-Gruppe folgt, gelieferten Überwachungsstroms befähigt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Kommunikationsnetz in einer Technik mit Zeitteilung und Vielfachzugriff; der sogenannten TDMA-Technik, ein passives optisches Netz ist und die Pakete ATM-Zellen, also nach dem asynchronen Transfer-Modus, sind.