DE69607532T2

DE69607532T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Leistungsüberwachung einer Lasersenderanordnung

Info

Publication number: DE69607532T2
Application number: DE69607532T
Authority: DE
Inventors: William C. Wurst
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1995-07-28
Filing date: 1996-07-23
Publication date: 2000-09-14
Anticipated expiration: 2016-07-24
Also published as: KR970009007A; CA2181751A1; AU709655B2; AU6068196A; JPH09101237A; MX9602948A; EP0756363B1; CA2181751C; US5673282A; DE69607532D1; EP0756363A2; EP0756363A3

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft die Laserüberwachung und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung der Leistung eines Lasersenders.

Allgemeiner Stand der Technik

Laser sind in den verschiedensten industriellen, medizinischen, Unterhaltungs- und kommerziellen Anwendungen zum großen Teil aufgrund der Entwicklung kostengünstiger und allgemein zuverlässiger Laserdioden weit verbreitet. Eine wichtige Anwendung finden solche Laserdioden in Sendern in modernen schnellen digitalen optischen Kommunikationssystemen, die zum Beispiel zum Führen von Sprach-, Daten- und Multimediasignalen verwendet werden können. Bei solchen Anwendungen ist es in der Regel wünschenswert, daß der Sender so wirkt, daß seine optische Ausgangsleistung in einen spezifizierten Bereich fällt. Leider kann sich die optische Ausgangsleistung von Laserdioden stark sowohl mit der Temperatur und der Zeit ändern. Außerdem kann ein Betrieb außerhalb des "normalen" Bereichs zu Übertragungsfehlern führen, das Signal/Rausch- Verhältnis im Empfänger verschlechtern und sich nachteilig auf die Komponenten- und Systemzuverlässigkeit auswirken und kann daneben weitere ernste Folgen haben. Ein schlichter Ausfall des Lasersenders kann eine unerwünschte Unterbrechung des Kommunikationsdienstes und Systemausfallzeit verursachen. Zur Vermeidung solcher Probleme wird das optische Ausgangssignal des Lasersenders oft überwacht, um zu bestimmen, ob der Laser zufriedenstellend funktioniert. In der Regel wird die Ausgangsleistung überwacht, und der Vorstrom der Laserdiode einfach je nach Bedarf eingestellt, um einen konstanten Ausgangsleistungspegel aufrechtzuerhalten. Obwohl eine solche Überwachung für viele Anwendungen zufriedenstellend ist, wäre es wünschenswert, die Laserüberwachung zu verbessern, um zusätzliche Funktionalität und Merkmale bereitzustellen, um die negativen Folgen eines Betriebs außerhalb des Bereichs oder eines Ausfalls des Senders möglichst gering zu halten. Außerdem wäre es wünschenswert, eine solche verbesserte Überwachung auf eine kosteneffektive Weise bereitzustellen.

Kurze Darstellung der Erfindung

Dementsprechend bestehen die Aufgaben der vorliegenden Erfindung darin, die optische Ausgangsleistung eines Lasers zu messen, anzuzeigen, ob die optische Ausgangsleistung in einem vorgeschriebenen Bereich liegt, und anzuzeigen, daß sich der Laser dem Ende seiner nutzbaren Lebensdauer nähert, um auf kosteneffektive Weise eine präventive Wartung zu erleichtern. Gemäß den Prinzipien der Erfindung werden durch ein neuartiges Verfahren und eine neuartige Vorrichtung, die zum Einstellen einer Schwelle auf einen ersten von mindestens zwei Schwellenwerten, wobei der erste der Schwellenwerte einen ersten Ausgangszustand eines Lasers darstellt, und ein zweiter der Schwellenwerte einen zweiten Ausgangszustand des Lasers darstellt; zum Empfangen eines Ausgangssignals, das das Ausgangssignal des Lasers anzeigt; zum Vergleichen eines Werts des Ausgangssignals mit dem ersten Schwellenwert; und zum Einstellen der Schwelle auf den zweiten Schwellenwert, wenn der Wert des Ausgangssignals kleiner oder gleich dem ersten Schwellenwert ist, ausgelegt sind, diese und andere Aufgaben erfüllt und die Nutzbarkeit der Überwachung stark verbessert.
In einem konkreten Beispiel der Erfindung enthält ein kostengünstiger Monitor zwei Komparatoren, die zur Bildung eines Fensterkomparators ausgelegt sind, der einen Rahmen um einen normalen Betriebsbereich eines Lasersenders bildet. Eine Vorrichtung zur Erzeugung einer verstärkten Rückseitenmonitorspannung, die dem optischen Ausgangsleistungspegel des Lasersenders entspricht, ist an den Fensterkomparator angekoppelt. Außerdem ist eine Bezugsspannung an den Fensterkomparator angekoppelt, die die obere Schwelle des normalen Betriebsbereichs definiert. Eine steuerbare variable Spannungsquelle ist an den Fensterkomparator angekoppelt und wird zur Definition der unteren Schwelle des normalen Betriebsbereichs verwendet, wobei diese untere Schwelle wie oben beschrieben zwei zugeordnete Schwellenwerte aufweist. Die untere Schwelle wird auf den ersten Schwellenwert initialisiert, der einem Lebensende- Betriebszustand des Lasersenders entspricht. Wenn das Rückseitenmonitorspannungssignal gleich dem ersten Schwellenwert ist oder unter diesen fällt, wird durch den Lasermonitor ein Warnsignal erzeugt und die steuerbare variable Spannungsquelle wird zur Bereitstellung eines zweiten Schwellenwerts, der einem Ausfallbetriebszustand des Lasersenders entspricht, in einen zweiten Zustand umgeschaltet. Während der optische Ausgangsleistungspegel weiter mit der Temperatur und Zeit abnimmt, fällt er schließlich unter die zweite Schwelle, und es wird eine zweite Warnung erzeugt, um einen Ausfall des Lasers anzuzeigen. Ein Differenzverstärker mit variabler Verstärkung ist an die Erzeugungsvorrichtung angekoppelt und wird zur Messung der optischen Ausgangsleistung des Lasersenders verwendet.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist ein vereinfachtes Diagramm eines konkreten Beispiels eines Lasermonitors gemäß der Erfindung.
Fig. 2 ist ein Zustandsdiagramm, mit dem Aspekte des in Fig. 1 gezeigten beispielhaften Lasermonitors hervorgehoben werden.
Fig. 3 ist ein vereinfachtes Diagramm kaskadierter Widerstandsarrays, mit denen ein Aspekt der Erfindung implementiert werden kann.
Fig. 4 ist ein vereinfachtes Diagramm einer Vorrichtung und Schaltung zur Erzeugung eines Spannungssignals, das einen Leistungsausgangspegel des Lasersenders anzeigt, gemäß der Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 ist ein vereinfachtes Diagramm eines konkreten Beispiels eines Lasermonitors 100 gemäß der Erfindung. Ein solcher Lasermonitor kann zum Beispiel zur Überwachung eines (nicht gezeigten) Lasersenders, wie zum Beispiel von Sendern, die in der Regel in optischen Kommunikationssystemen verwendet werden, eingesetzt werden. In manchen Anwendungen der Erfindung kann es wünschenswert sein, den Lasermonitor 100 direkt in eine Lasersenderschaltungskarte oder in ein Lasersenderschaltungspaket (nicht gezeigt) zu integrieren. Es wird betont, daß dieses konkrete Beispiel zwar die Überwachung eines Lasersenders behandelt, der in Kommunikationssystemen verwendet wird, es aber beabsichtigt ist, daß die Erfindung nicht auf Sender oder optische Kommunikationssysteme beschränkt ist. In jeder Anwendung, bei der eine kosteneffektive Laserüberwachung gewünscht wird, kann die Erfindung verwendet und können die Vorteile der Erfindung realisiert werden. Wie gezeigt, enthält der Lasermonitor 100 Komparatoren 20 und 30, eine Steuerung 40, eine variable Spannungsquelle 50, ein OR-Gatter 60 und einen Multiplexer 70. In diesem konkreten Beispiel der Erfindung sind die Komparatoren 20 und 30 Operationsverstärker jeweils mit zwei Eingangsports (darunter ein invertierender Eingangsport und ein nichtinvertierender Eingangsport) und einem einzigen Ausgangsport, wie gezeigt. Die Eingangs- und Ausgangsports der Komparatoren 20 und 30 werden durch die Bezugszahlen 22, 24, 26 bzw. 32, 34, 36 gekennzeichnet, wie in Fig. 1 gezeigt. Operationsverstärker sind bekannt, und ihre Funktionsprinzipien werden deshalb hier nicht ausführlich dargestellt. Die Komparatoren 20 und 30 sind so gekoppelt, daß sie gemäß den Prinzipien der Erfindung einen Fensterkomparator 108 bilden, mit dem ein Rahmen um den normalen Betriebsbereich des Lasersenders gebildet wird. Bei diesem konkreten Beispiel ist der normale Betriebsbereich als -8 bis -15 dBm definiert. Es wird jedoch betont, daß dieser Betriebsbereich nur für beispielhafte Zwecke gewählt wird und nicht als eine Beschränkung des Schutzumfangs der Erfindung angesehen werden sollte.
Der nichtinvertierende Eingangsport 22 des Komparators 20 und der invertierende Eingangsport 32 des Komparators 30 sind so gekoppelt, daß sie parallel ein Spannungssignal Vlaser empfangen, das den optischen Leistungsausgangspegel (der im Folgenden als Ausgangsleistungspegel bezeichnet wird) des Lasersenders anzeigt. Ein solches Spannungssignal Vlaser kann auf vielfältige herkömmliche Weisen erzeugt werden. Als Alternative ist ein Beispiel einer geeigneten Vorrichtung und Schaltung zur Erzeugung dieses Signals in Fig. 4 gezeigt und wird nachfolgend besprochen.
Der invertierende Eingangsport 24 des Komparators 22 ist an eine feste Bezugsspannung Vref angekoppelt. Der Wert von Vref wird so gewählt, daß er einer Spannung entspricht, die eine obere Schwelle des spezifizierten normalen Betriebsbereichs des Lasersenders anzeigt, d. h. Vref = VUT. Die feste Bezugsspannung Vref kann durch eine beliebige herkömmliche Spannungsquelle zugeführt werden. Jedesmal, wenn der Wert von Vlaser den Wert von VUT übersteigt, wird durch den Komparator 20 auf dem Ausgangsport 26 ein Ausgangssignal erzeugt. Dementsprechend wird Vref so eingestellt, daß es einer oberen Grenze auf dem normalen Betriebsbereich des Lasersenders entspricht. Das Ausgangssignal auf dem Ausgangsport 26 wird als ein Warnsignal zur Anzeige verwendet, daß der Leistungsausgangspegel des Lasersenders die obere Schwelle seines spezifizierten normalen Betriebsbereichs überschritten hat.
Vref ist außerdem über die Leitung 110 an eine variable Spannungsquelle 50 angekoppelt. Diese Kopplung wird bereitgestellt, da die variable Spannungsquelle 50 ein unteres Schwellensignal VLT liefert, dessen Spannungswert variabel als Bruchteil von Vref eingestellt wird. Das heißt, der Wert von VLT kann im allgemeinen auf einen beliebigen Wert in einem Bereich eingestellt werden, der zwischen Null und bis einschließlich dem Wert von Vref definiert wird. In diesem konkreten Beispiel liegt der Bereich für VLT in der Regel zwischen -8 und -15 dBm. Es wird erkannt, daß es bei manchen Anwendungen der Erfindung wünschenswert sein kann, andere Betriebsbereiche zu verwenden und außerdem ein unteres Schwellensignal VLT mit einem Wert zu verwenden, der Vref überschreiten kann. In jedem Fall wird der Wert des unteren Schwellensignals VLT als Reaktion auf ein Steuersignal verändert, das auf der Leitung 120 aus der Steuerung 40 bereitgestellt wird.
Variable Spannungsquellen sind bekannt. Es wird in Betracht gezogen, daß eine beliebige herkömmliche steuerbare variable Spannungsquelle verwendet werden kann, um die Ausübung der Erfindung zu erleichtern. Ein Beispiel einer bevorzugten variablen Spannungsquelle verwendet jedoch ein digital steuerbares Potentiometer mit einer Vielzahl von Widerstandsarrays, wie zum Beispiel das von Xicor unter der Bezeichnung "Quad E²POT" hergestellte. Dieses konkrete digital gesteuerte Potentiometer enthält ein Schleiferzählerregister zur Positionierung des Schleifers auf dem Widerstandsarray und vier 8-Bit-Datenregister. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die das Xicor- Potentiometer verwendet, werden zwei solche Widerstandsarrays, die jeweils 63 diskrete Widerstandssegmente enthalten, kaskadiert, um 127 Abgriffe bereitzustellen, wodurch eine Feinsteuerung des Werts des unteren Schwellensignals VLT ermöglicht wird. Diese kaskadierte Anordnung ist in Fig. 3 dargestellt. Es sind Abgriffe 0-126 gezeigt, die als TAP(j) bezeichnet werden. Fig. 3 zeigt außerdem die Beziehung zwischen dem unteren Schwellensignal, das als VLT(j) bezeichnet wird, der Bezugsspannung Vref und den gedämpften Bezugsspannungen αLOW * Vref und αNOM * Vref. Die zwei Dämpfungsfaktoren αLOW und αNOM sind als αLOW * Vref Pmin und Vref Pmax definiert, also ist
αlow = Pmin/Pmax = -7dB = 0.1995 (1)
wobei Pmin und Pmax wie oben definiert -15 dBm bzw. -8 dBm betragen. Der zweite Dämpfungsfaktor αNOM ermöglicht den kaskadierten Widerstandsarrays, einen log-linearen Schleifer auf einem herkömmlichen Potentiometer zu approximieren, was wünschenswert sein kann. αLOW hängt folgendermaßen mit αNOM zusammen:
Die beiden Dämpfungsfaktoren αLOW und αNOM werden zur Herstellung der Werte der Widerstände Ra und Rb verwendet. Rc wird so gewählt, daß der Effekt der großen einheitenweisen Veränderung von RPI gemäß den folgenden Beziehungen reduziert wird:
und
Fachleute werden erkennen, daß die Verwendung bestimmter digital gesteuerter Potentiometer bei bestimmten Anwendungen eine separate Steuerung überflüssig machen kann, und zwar insbesondere diejenigen Potentiometer, in die wesentliche Steuerschaltungen integriert sind. In diesem konkreten Beispiel der Erfindung ist eine separate Steuerung 40 gezeigt, um eine vollständige Darlegung der Prinzipien der Erfindung zu erleichtern. Da digital gesteuerte Potentiometer bekannt sind und Informationen bezüglich ihres Betriebs weithin verfügbar sind, werden hier keine weiteren Einzelheiten bezüglich ihrer Verwendung mit der vorliegenden Erfindung gegeben.
Wieder mit Bezug auf Fig. 1 wird jedesmal, wenn der Wert von Vlaser unter den Wert von VLT fällt, auf dem Ausgangsport 36 durch den Komparator 30 ein Ausgangssignal erzeugt. Dieses Ausgangssignal auf dem Ausgangsport 36 wird über die Leitung 130 an die Steuerung 40 angekoppelt. Das Ausgangssignal auf dem Ausgangsport 36 wird als ein Warnsignal zur Anzeige verwendet, daß der Leistungsausgangspegel des Lasersenders unter eine variabel eingestellte untere Schwelle gefallen ist. Gemäß den Prinzipien der Erfindung ist diese variabel eingestellte untere Schwelle zwischen mindestens zwei Werten umschaltbar. Einer dieser beiden Werte entspricht einer vordefinierten absoluten unteren Schwelle des spezifizierten normalen Betriebsbereichs des Lasersenders. Wenn der Ausgangsleistungspegel des Lasersenders unter diese absolute untere Schwelle fällt, dann können ein unannehmbares Ausmaß von Bitfehlern oder andere Probleme auftreten, und der Lasersender wird als ausgefallen charakterisiert. Der andere Wert entspricht einer vordefinierten Lebensendeschwelle, die vorteilhafterweise zur Anzeige verwendet wird, daß sich der Lasersender dem Ende seiner nutzbaren Lebensdauer nähert. Ein Betrieb des Lasersenders, bei dem sein Ausgangsleistungspegel unter diese Lebensendeschwelle fällt, führt nicht zu einer verschlechterten Leistung, wie zum Beispiel einer unannehmbaren Bitfehlerrate. Wenn der Ausgangsleistungspegel jedoch einmal auf diese vordefinierte Lebensendeschwelle gefallen ist, kann erwartet werden, daß sich bestimmte Schlüsselparameter des Lasersenders wie zum Beispiel das Löschverhältnis bis zu einem Punkt verschlechtert haben, an dem bei einem weiteren Betrieb eine unannehmbare Lasersenderleistung auftritt. Vorteilhafterweise kann Wartungspersonal dann ein Auswechseln des Lasersenders einplanen oder ihn vor dem Ausfall aus dem Betrieb schalten, um eine Unterbrechung des Kommunikationsdienstes möglichst gering zu halten. Zum Beispiel können beim Empfang des Warnsignals, das Betrieb an der Lebensendeschwelle anzeigt, Maßnahmen getroffen werden, um redundante oder Reservesender zu verwenden, oder es kann außerhalb von Spitzenzeiten des Systembetriebs ein Wechsel des Lasersenders veranlaßt werden.
Wie oben besprochen, beträgt der definierte normale Betriebsbereich des Lasersenders in diesem Beispiel -8 bis -15 dBm. Unter der weiteren Annahme eines nominalen Lasersenderausgangsleistungspegels von -11,5 dBm bei Raumtemperatur (ein Wert, der ungefähr in der Mitte des gegebenen Bereichs liegt), werden das obere Schwellensignal VUT und Vref auf eine Spannung eingestellt, die -8 dBm entspricht. Ein 1-dB-Abfall der Lasersenderausgangsleistung, entsprechend einem Betriebszustand, der ungefähr 79% der nominalen Ausgangsleistung beträgt, wird in diesem konkreten Beispiel als eine Anzeige betrachtet, daß sich der Lasersender dem Ende seiner nutzbaren Lebensdauer nähert. Dementsprechend wird der Wert des unteren Schwellensignals VLT anfänglich auf Spannung gesetzt, die einer Spannung entspricht, die 1 dB unter dem nominalen Betriebsausgangsleistungspegel liegt. Dieser Wert, -12,5 dBm, ist somit der Lebensende- Schwellenwert. Wie oben beschrieben, wird VLT durch die variable Spannungsquelle 50 erzeugt. Dementsprechend wird die variable Spannungsquelle 50 anfänglich so eingestellt, daß sie in einem Zustand arbeitet, in dem sie einen ersten VLT-Wert liefert, der dem Lebensende- Schwellenwert entspricht. Dieser erste Betriebszustand der variablen Spannungsquelle 50 kann zum Beispiel als Reaktion auf ein durch die Steuerung 40 erzeugtes Steuersignal eingestellt werden, das auf der Leitung 120 durch die variable Spannungsquelle 50 empfangen wird.
Während des Betriebs des Lasersenders kann sein Vorstrom auf herkömmliche Weise so eingestellt werden, daß der gewünschte feste optische Leistungspegel erzeugt wird. An einem bestimmten Punkt wird jedoch eine Grenze des Vorstroms erreicht. Diese Grenze beträgt in der Regel zweimal den anfänglichen Stromwert. Wenn die Vorstromgrenze erreicht wurde, bewirken der Verlauf der Zeit und zusätzliche Temperaturschwankungen, daß der Ausgangsleistungspegel des Lasersenders abnimmt, was zu einer entsprechenden Abnahme des Werts von Vlaser führt. Wie oben besprochen, wird, sobald der Wert von Vlaser kleiner oder gleich dem Wert von VLT wird, durch den Komparator 30 auf dem Ausgangsport 36 ein Warnsignal erzeugt. Mit diesem ersten Warnsignal wird angezeigt, daß der Lasersender das Ende seiner nutzbaren Lebensdauer erreicht hat. Die Steuerung 40 empfängt dieses Warnsignal über die Leitung 130, die dann die variable Spannungsquelle 50 auf einen zweiten Betriebszustand schaltet. In diesem zweiten Betriebszustand erzeugt die variable Spannungsquelle 50 einen zweiten VLT-Wert, der der absoluten unteren Schwelle des spezifizierten normalen Betriebsbereichs des Lasersenders entspricht. Das heißt, VLT wird von seinem initialisierten ersten Wert auf den zweiten Wert gesetzt (d. h. umgeschaltet). Da dieser zweite Wert von VLT zu diesem Zeitpunkt kleiner als der Wert von Vlaser ist, wird der Ausgang des Komparators 30 inaktiv. Während sich der Ausgangsleistungspegel des Lasersenders weiter verschlechtert, fällt der Wert von Vlaser schließlich unter den zweiten VLT-Wert, der der absoluten unteren Schwelle entspricht. Der Komparator 30 erzeugt dann ein zweites Warnsignal auf dem Ausgangsport 36, um anzuzeigen, daß der Lasersender ausgefallen ist.
Fig. 2 ist ein Zustandsdiagramm, das zur Hervorhebung der oben besprochenen erfindungsgemäßen Konzepte nützlich ist. Das Zustandsdiagramm von Fig. 2 zeigt die Zustände (d. h. den Ausgangspegel) des durch den Lasermonitor 100 überwachten Lasersenders an. Wie gezeigt, liefert der Lasermonitor 100 gemäß den Prinzipien der Erfindung eine Anzeige, in welchem von vier Zuständen der Lasersender zu einem gegebenen Zeitpunkt arbeitet. Diese Zustände sind die Folgenden: Normal; Lebensende (in Fig. 2 als "LE" bezeichnet); Außer Bereich-Über ("AB-Über"); und Außer Bereich-Unter ("AB-Unter"). Im Normalzustand ist der Ausgangsport weder des Komparators 20 noch des Komparators 30 aktiv, d. h. es wird kein Senderwarnsignal erzeugt. Wenn der Wert von Vlaser den Wert von VUT (und von Vref) überschreitet, dann erzeugt der Komparator 26 ein Senderwarnsignal, das anzeigt, daß der Lasersender aus einem Betrieb im Normalzustand zu einem Betrieb in dem AB-Über-Zustand übergegangen ist. Wenn der Wert von Vlaser unter den ersten Wert von VLT fällt, ist der Lasersender dagegen vom Betrieb im Normalzustand zu einem Betrieb in dem LE-Zustand übergegangen. Wie oben besprochen, schaltet die Steuerung 40 die variable Spannungsquelle 50 zum Bereitstellen eines zweiten VLT-Werts, der der absoluten unteren Schwelle entspricht, so daß der Ausgangsport des Komparators 30 inaktiv wird, und das Senderwarnsignal inaktiv wird. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist es möglich, vom LE-Zustand entweder in den AB-Über- oder den AB-Unter-Zustand überzugehen, so wie es durch den Wert von Vlaser gerechtfertigt wird.
Wieder mit Bezug auf Fig. 1 sind die Ausgangsports 26 und 36 der Komparatoren 20 bzw. 30 an einen Multiplexer 70 angekoppelt. Der Multiplexer 70 ermöglicht die Auswahl eines spezifischen Signals aus dem Multiplexer-Ausgangsport 73, falls gewünscht. Dementsprechend sollte die Verwendung des Multiplexers 70 als Option betrachtet werden. Der Multiplexer 70 schaltet seinen Ausgangsport 73 als Reaktion auf ein Multiplexersteuersignal, das in den Multiplexersteuerport 78 eingegeben wird, zwischen seinen vier Eingangsports 72, 74, 76 und 79. Die Steuerung 40 ist in diesem konkreten Beispiel so geschaltet, daß sie das Multiplexersteuersignal über die Leitung 140 zu dem Multiplexersteuerport 78 des Multiplexers 70 sendet. Als Alternative kann der Port 142 verwendet werden, um den Multiplexer 70 als Reaktion auf ein Steuersignal zu schalten, das durch (nicht gezeigte) Steuerschaltungen oder -geräte erzeugt wird, die sich entfernt von dem Lasermonitor 100 befinden. Der Eingangsport 72 ist so geschaltet, daß er das Warnsignal aus dem Komparator 20 empfängt, das den AB-Über-Zustand des Lasersenders anzeigt. Der Eingangsport 76 ist so geschaltet, daß er das Warnsignal aus dem Komparator 30 empfängt, das dem AB-Unter-Zustand entspricht. Der Eingangsport 79 ist so geschaltet, daß er ein Sperrsignal (d. h. ein "Null"-Signal) empfängt, das in Fig. 1 als eine "0" angedeutet ist. Wenn der Eingangsport 79 auf den Ausgangsport 73 des Multiplexers 70 geschaltet wird, wird kein Ausgangssignal erzeugt. Bei bestimmten Anwendungen der Erfindung kann es wünschenswert sein, daß Wartungs- oder anderes Personal in der Lage ist, das Warnsignal auszuschalten, wenn der Lasersenderzustand bestimmt wurde. Als Alternative kann es in bestimmten Fällen wünschenswert sein, die Warneigenschaften der vorliegenden Erfindung einfach nicht zu verwenden. Der Eingangsport 74 des Multiplexers 70 ist so geschaltet, daß er ein Signal empfängt, das aus dem OR-Gatter 60 ausgegeben wird. Das OR-Gatter 60 erzeugt ein Ausgangssignal, wenn auf einem seiner Eingangsports 62 und 64 ein Signal empfangen wird. OR-Gatter sind bekannt und werden hier nicht weiter beschrieben. Die Verwendung des OR-Gatters 60 liefert ein Warnsignal immer dann, wenn der Lasersender außerhalb seines normalen Betriebsbereichs arbeitet (d. h. wenn der Lasersender entweder in dem AB-Über- oder dem AB-Unter-Zustand arbeitet).
Die Steuerung 40 kann jede beliebige herkömmliche Steuerung sein, die in der Lage ist, die Steuerung der oben beschriebenen variablen Spannungsquelle 50 durchzuführen. Die Steuerung 40 kann zum Beispiel aus bekannten diskreten Bauelementen aufgebaut werden oder kann besonders bevorzugt einer einer Vielfalt anwendungsspezifischer oder Vielzweck- Digital-Prozessoren sein, die weithin verfügbar sind. Als Alternative kann die Funktionalität der Steuerung 40 in andere Steuerungen oder Prozessoren integriert werden, die als Teil der Lasersender-Schaltungskarte oder des Lasersender-Schaltungspakets verwendet werden können oder die als Teil des größeren Kommunikationssystems angeordnet sind.
Fig. 4 ist ein vereinfachtes Diagramm einer Vorrichtung und Schaltung zur Erzeugung eines Spannungssignals, das einen Ausgangsleistungspegel des Lasersenders anzeigt, gemäß der Erfindung. Eine solche Vorrichtung und Schaltung würde in der Regel in einer Lasersender-Schaltungskarte oder in einem Lasersender- Schaltungspaket (nicht gezeigt) integriert sein. Fig. 4 zeigt eine Laserdiode 400, einen Fotodetektor 410, einen Widerstand 420, ein Tiefpaßfilter 430 und einen Differenzverstärker 450 mit variabler Verstärkung. Alle diese Elemente sind bekannt. Wenn der Laserdiode 400 ein aus einer (nicht gezeigten) externen Stromquelle zugeführter Vorstrom zugeführt wird, arbeitet sie so im Laserbetrieb, daß kohärentes Licht aus der Vorderseite der Laserdiode in das Faserende 470 geleitet wird und zu einem (nicht gezeigten) abgesetzten Empfänger gesendet wird. Die Laserdiode 400 oder ihr optisches Ausgangssignal können mit herkömmlichen Modulationsverfahren so moduliert werden, daß dem Laserausgangssignal Daten auferlegt werden, so daß ein hochfrequenter Datenstrom gebildet wird. Der Fotodetektor 410, bei dem es sich zum Beispiel um eine Fotodiode handeln kann, ist so an die Rückseite der Laserdiode 400 angekoppelt, daß er Licht empfängt, das aus der Rückseite austritt. Der Fotodetektor 410 ist in diesem konkreten Beispiel ein herkömmliches quadrierendes Bauelement, das einen Strom erzeugt, der proportional zu der optischen Ausgangsleistung der Laserdiode 400 ist. Dieser Strom wird durch den Widerstand 420 geleitet, um eine Rückseitenmonitorspannung ("VBFM") zu erzeugen (siehe Fig. 4).
Das Tiefpaßfilter 430 filtert die hochfrequenten Komponenten von VBFM heraus, die als Folge der hochfrequenten Modulation der Laserdiode 400 oder ihres optischen Ausgangssignals vorliegen können. Es wird betont, daß diese Tiefpaßfilterung zwar sehr hilfreich bei der Gewinnung einer rauscharmen Anzeige des Ausgangsleistungspegels der Laserdiode 400 ist, diese Filterung jedoch besonders in Anwendungen, bei denen keine hochfrequente Datenmodulation auftritt, als Option betrachtet werden sollte. Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 430 wird an die Eingangsports des Differenzverstärkers 450 mit variabler Verstärkung angekoppelt. Der Differenzverstärker 450 mit variabler Verstärkung kann einen herkömmlichen Operationsverstärker oder bevorzugt einen Verstärker mit elektronisch veränderlicher Verstärkung umfassen. Bei bestimmten Anwendungen der Erfindung kann es wünschenswert sein, dasselbe digital gesteuerte Potentiometer zu verwenden, das oben mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben wurde, um die Verstärkung des Differenzverstärkers 450 mit variabler Verstärkung zu steuern. Als Alternative kann die Verstärkung gesteuert werden, indem die Verstärkungssteuerung über den Ausgangsport 42 (Fig. 1) und den Verstärkungssteuereingangsport 452 an die Steuerung 40 (Fig. 1) angekoppelt wird.
Der Differenzverstärker 450 mit variabler Verstärkung wird zur Kompensation der einheitenweisen Variabilität von VBFM verwendet, die zum Beispiel aufgrund normaler Herstellungsschwankungen in Laserdioden auftreten kann. Dementsprechend wird der Differenzverstärker 450 mit variabler Verstärkung zur Normierung von VBFM auf einen festen Bezugswert verwendet. Dieser feste Bezugswert Vref, der oben besprochen wurde, wird zur Herstellung der oberen Schwelle des spezifizierten Betriebsbereichs der Laserdioden verwendet. Außerdem ermöglicht die Korrelation zu einem festen Bezugswert, daß das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 450 mit variabler Verstärkung vorteilhafterweise den absoluten Ausgangsleistungspegel der Laserdiode 400 darstellt, so daß eine mittlere optische Ausgangsleistung bestimmt werden kann. Eine solche Normierung kann zum Beispiel dadurch implementiert werden, daß die optische Ausgangsleistung aus der Laserdiode 400 verzeichnet wird, wenn sie mit einem Testdatenbitstrom oder einem Pseudozufalls-Bitstrom moduliert wird. Die untere Schwelle VLT wird dann so eingestellt, daß sie der gemessenen optischen Ausgangsleistung entspricht. Die Verstärkungseinstellung des Differenzverstärkers 450 mit variabler Verstärkung wird dann unter Verwendung der Steuerung 40 (Fig. 1) oder eines digital gesteuerten Potentiometers wie oben besprochen eingestellt, bis der Komparator 30 eine Veränderung erkennt und ein den AB-Unter-Zustand anzeigendes Warnsignal erzeugt wird. Dieser Verstärkungseinstellungsprozeß normiert die verstärkte, an der Rückseite überwachte Spannung auf das Absolutleistungsmaß, so daß die Komparatorschwellen zu der absoluten Leistung korreliert werden. Somit wird das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 450 mit variabler Verstärkung auf dessen Ausgangsport, das durch das Produkt G * VBFM angezeigt wird, als eine Messung der optischen Leistung der Laserdiode 400 verwendet. Genauer gesagt, kann eine Messung der optischen Ausgangsleistung zu einem beliebigen Zeitpunkt erfolgen, während sich der Lasersender in dem normalen oder LE-Zustand befindet. Wieder mit Bezug auf Fig. 1 wird das untere Schwellensignal VLT schrittweise erniedrigt, bis der Komparator 30 auf dem Ausgangsport 36 das Warnsignal erzeugt. Die entsprechende Einstellung der variablen Spannungsquelle oder des digital gesteuerten Potentiometers definiert dann die Ausgangsleistung. Im Fall des bevorzugten digital gesteuerten Potentiometers (siehe Fig. 3) ist die äquivalente optische Ausgangsleistung folgendermaßen definiert:
und
wobei αlow und αNOM nicht in dB, sondern als ein Verhältnis ausgedrückt werden.
Die Verstärkungseinstellung des Differenzverstärkers 450 mit variabler Verstärkung kann in einem Speicher 90, zum Beispiel in einem nichtflüchtigen Speicher, gespeichert werden, der als Option an die Steuerung 40 angekoppelt werden kann (siehe Fig. 1). Fachleute werden erkennen, daß das Ausgangssignal aus G * VBFM aus dem Differenzverstärker 450 mit variabler Verstärkung vorteilhafterweise als das Vlaser- Eingangssignal für den Fensterkomparator 108 in Fig. 1 verwendet werden kann.
Der Speicher 90 kann als Option außerdem zur Speicherung von periodisch abgetasteten Ausgangsleistungspegeln des Lasersenders unter Verwendung des oben beschriebenen Meßprozesses verwendet werden. Mit diesen gespeicherten Abtastwerten kann eine Vorgeschichte der Lasersenderleistung übermittelt werden. Außerdem können mit solchen Abtastwerten bekannte Kurvenanpassungsalgorithmen verwendet werden, um die Lebensende- und Ausfallzustände vor ihrem Auftreten vorherzusagen.
Die oben beschriebenen Anordnungen sind natürlich lediglich ein Beispiel der Anwendung der Prinzipien der Erfindung. Fachleute können andere Anordnungen konzipieren, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, der durch die Ansprüche definiert wird. Es wird dementsprechend gewünscht, daß der Schutzbereich der angefügten Ansprüche nicht auf die hier enthaltene spezifische Offenbarung beschränkt wird.

Claims

1. Vorrichtung zur Verwendung beim Überwachen eines Ausgangspegels eines Lasers (400) mit:

einer steuerbar veränderlichen Spannungsquelle (50) mit mindestens zwei Betriebszuständen, wobei die Spannungsquelle während eines ersten der Betriebszustände als ein Ausgangssignal einen ersten Schwellenspannungswert liefert und während eines zweiten der Betriebszustände als ein Ausgangssignal einen zweiten Schwellenspannungswert liefert, dessen Wert kleiner als der erste Schwellenspannungswert ist;

einem Fensterkomparator (108), dem das Ausgangssignal der Spannungsquelle zugeführt wird und der so ausgelegt ist, daß ihm ein Signal zugeführt wird, das den Ausgangspegel des Lasers darstellt, und weiterhin so ausgelegt ist, daß er als ein Ausgangssignal ein erstes Warnsignal erzeugt, wenn der Laserausgangspegel kleiner oder gleich dem ersten Schwellenspannungswert ist; und

einer Steuerung (40), die auf das erste Warnsignal reagiert, um das Umschalten der Spannungsquelle von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand so zu steuern, daß der zweite Schwellenspannungswert als ein Ausgangssignal aus der Spannungsquelle zugeführt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Schwellenspannungswert einem Lebensende-Betriebszustand des Lasers entspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Fensterkomparator ein zweites Warnsignal erzeugt, wenn das Signal, das den Laserausgangspegel darstellt, einen Wert aufweist, der kleiner oder gleich dem zweiten Schwellenspannungswert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der zweite Schwellenspannungswert einem Ausfallbetriebszustand des Lasers entspricht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, weiterhin mit einem Speichergerät (90), das mittels einer Schaltung mit einer Steuerung verbunden ist, um eine Leistungsvergangenheit des Laserausgangspegels zu speichern.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Fensterkomparator einen ersten Komparator (20) und einen zweiten Komparator (30) umfaßt, wobei der erste Komparator und der zweite Komparator in einer vorbestimmten Schaltungbeziehung verbunden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, weiterhin mit einem OR-Gatter (60) mit einem ersten Eingangsport (62), einem zweiten Eingangsport (64) und einem Ausgangsport, wobei ein Ausgangssignal aus dem ersten Komparator (20) dem ersten Eingangsport des OR-Gatters zugeführt wird und ein Ausgangssignal aus dem zweiten Komparator (30) dem zweiten Eingangsport des OR-Gatters zugeführt wird, wobei an dem Ausgangsport des OR- Gatters ein Bereichsübertretungssignal erzeugt wird, wenn entweder dem ersten Eingangsport des OR-Gatters oder dem zweiten Eingangsport des OR-Gatters ein Warnsignal zugeführt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, weiterhin mit einem Multiplexer (70) mit einer Vielzahl von Eingangsports und einem einzigen Ausgangsport (73), wobei einem ersten (74) der Multiplexer-Eingangsports ein Signal aus dem Ausgangsport des OR-Gatters zugeführt wird, wobei sich ein zweiter (72) der Multiplexer-Eingangsports und ein dritter (76) der Multiplexer-Eingangsports in einer Schaltungsbeziehung mit dem Fensterkomparator (108) befinden, wobei der Multiplexer Signale, die den Multiplexer- Eingängen zugeführt werden, selektiv auf den einzigen Ausgang des Multiplexers schaltet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, weiterhin mit einer Quelle einer festen Bezugsspannung, die dem ersten Komparator (20) des Fensterkomparators als ein dritter Schwellenspannungswert zugeführt wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Fensterkomparator als ein Ausgangssignal ein drittes Warnsignal liefert, wenn das Signal, das den Laserausgangspegel darstellt, einen Wert aufweist, der größer oder gleich dem dritten Schwellenspannungswert ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der dritte Schwellenspannungswert einem Betriebszustand entspricht, in dem der Laserausgangspegel eine obere Grenze des Betriebs überschritten hat.

12. Verfahren zum Überwachen eines Ausgangspegels eines Lasers (400), mit den folgenden Schritten:

selektives Erzeugen eines ersten Schwellenspannungs- und eines zweiten Schwellenspannungswerts;

Setzen eines Schwellenspannungswerts auf einen ersten des mindestens ersten und zweiten Schwellenspannungswerts, wobei der erste Schwellenspannungswert einen ersten Betriebs- Ausgangszustand des Lasers darstellt und der zweite Schwellenspannungswert einen zweiten Betriebs- Ausgangszustand des Lasers darstellt;

Erzeugen eines Ausgangssignals, das den Ausgangspegel des Lasers darstellt;

Vergleichen eines Werts des Ausgangssignals, das den Ausgangspegel darstellt, mit dem ersten Schwellenspannungswert; und

selektives Erzeugen des zweiten Schwellenspannungswerts, wenn der Wert des Ausgangssignals, das den Ausgangspegel des Lasers darstellt, kleiner oder gleich dem ersten Schwellenspannungswert ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem weiterhin ein erstes Warnsignal erzeugt wird, wenn der Wert des Ausgangssignals, das den Ausgangsleistungspegel darstellt, kleiner oder gleich dem ersten Schwellenspannungswert ist.

14. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem weiterhin ein Wert des Ausgangssignals, das den Ausgangsleistungspegel darstellt, mit dem zweiten Schwellenspannungswert verglichen wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem weiterhin ein zweites Warnsignal erzeugt wird, wenn der Wert des Ausgangssignals, das den Ausgangsleistungspegel darstellt, kleiner oder gleich dem zweiten Schwellenspannungswert ist.

16. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem weiterhin ein dritter Schwellenspannungswert zugeführt wird, der einen dritten Ausgangs-Betriebszustand des Lasers darstellt, und

ein Wert des Ausgangssignals, das den Ausgangspegel darstellt, mit dem dritten Schwellenspannungswert verglichen wird, und

ein drittes Warnsignal erzeugt wird, wenn der Wert des Ausgangspegels größer oder gleich dem dritten Schwellenspannungswert ist.

17. Vorrichtung zur Verwendung beim Überwachen eines optischen Ausgangsleistungspegels eines Lasers (400) mit:

einer Fotodiode (410), die zum Empfangen von Laserlicht aus dem Laser ausgelegt ist, um einen elektrischen Strom zu erzeugen, der proportional zu dem optischen Ausgangsleistungspegel des Lasers ist;

einem Widerstand (420), der sich in einer Reihenschaltungsbeziehung mit der Fotodiode befindet und dem der elektrische Strom zur Erzeugung einer Überwachungsspannung zugeführt wird;

einem Fensterkomparator (108) mit einer Vielzahl von Eingangsports und einer Vielzahl von Ausgangsports, wobei zwei der Eingangsports die Überwachungsspannung zugeführt wird, wobei der Fensterkomparator die Überwachungsspannung mit einem Schwellenspannungswert vergleicht, der von einer steuerbar veränderlichen Spannungsquelle (50) einem dritten Eingangsport zugeführt wird, und der als Reaktion auf den Vergleich als ein Ausgangssignal ein Warnsignal liefert; und

wobei die veränderliche Spannungsquelle (50) einen Ausgang aufweist, der in sich Schaltung mit dem dritten Eingangsport befindet und auf ein Ausgangssignal des Fensterkomparators reagiert, um steuerbar dem dritten Eingangsport des Fensterkomparators einen gewählten einer Vielzahl von Schwellenspannungswerten zuzuführen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, weiterhin mit einem Verstärker mit veränderlicher Verstärkung in Schaltung zwischen dem Widerstand und dem Fensterkomparator.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, weiterhin mit einem Tiefpaßfilter (430) in Schaltung zwischen dem Widerstand und dem Verstärker mit veränderlicher Verstärkung zum Entfernen hochfrequenter Komponenten aus der Überwachungsspannung.

20. Vorrichtung nach Anspruch 17, weiterhin mit einer Steuerung (40), der ein Ausgangssignal des Fensterkomparators zugeführt wird, und die sich außerdem in Schaltungsbeziehung mit der veränderlichen Spannungsquelle befindet, um die veränderliche Spannungsquelle als Reaktion auf das aus dem Fensterkomparator empfangene Warnsignal steuerbar zwischen dem Zuführen eines ersten der Schwellenspannungswerte auf das Zuführen eines zweiten der Schwellenspannungswerte umzuschalten.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei sich die Steuerung weiterhin in einer Schaltungsbeziehung mit dem Verstärker mit veränderlicher Verstärkung befindet und die Verstärkung des Verstärker mit veränderlicher Verstärkung steuert.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei der erste Schwellenspannungswert einem Lebensende-Betriebszustand des Lasers entspricht.

23. Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei der zweite Schwellenspannungswert einem Ausfallbetriebszustand des Lasers entspricht.

24. Vorrichtung nach Anspruch 17, weiterhin mit einer Quelle einer festen Bezugsspannung, die sich in Schaltungsbeziehung mit einem vierten Eingangsport des Fensterkomparators befindet, um dem Fensterkomparator einen dritten Schwellenspannungswert zuzuführen.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei der Fensterkomparator die Überwachungsspannung mit dem dritten Schwellenspannungswert vergleicht und als Reaktion auf den Vergleich als ein Ausgangssignal ein Warnsignal liefert.