DE19739409A1 - Optische Sendeeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der optischen Datenüber­ tragung und betrifft den mit dem Trend zunehmender Sendelei­ stungen noch bedeutender werdenden Aspekt des Schutzes vor vagabundierender Laserstrahlung. Diese auch mit dem Schlag­ wort "Lasersicherheit" bezeichnete Problematik spielt bei La­ sersendern immer dann eine besondere Rolle, wenn Betriebs­ fälle oder Störungsfälle denkbar sind, in denen die von dem oder den (parallelen) Lasersender(n) abgegebene Strahlung von außen zugänglich ist. In dieser Situation besteht nämlich die Gefahr, daß die Laserstrahlung eine Energiedichte erlangt, die zu Beeinträchtigungen oder ungünstigstenfalls zu Schädi­ gungen insbesondere der Augennetzhaut führen kann. Vor diesem Hintergrund haben sich mittlerweile Standards durchgesetzt, wie beispielsweise der internationale Standard IEC 825-1. Nach diesen Standards werden Lasersender in Klassen mit un­ terschiedlichem Gefährdungspotential eingestuft.

Die Erfindung betrifft eine optische Sendeeinrichtung mit zu­ mindest einem Lasersender, der bei Ansteuerung Nutzleistung in Form optischer Signale nach außen abgibt, mit einer Si­ cherheitsschaltung, die im Falle einer unvollständigen Ver­ bindung zwischen dem Lasersender und einem Kopplungspartner den Lasersender in einen Pulsbetrieb steuert, in dem der La­ sersender zu bestimmten Zeitpunkten Sendeimpulse aussendet, so daß seine Ausgangsleistung gegenüber der Nutzleistung ver­ mindert ist, und mit einer nach außen strahlungssicheren Mo­ nitoreinheit mit einem Monitiorlaser und einem diesem zuge­ ordneten Monitiorempfänger.

Im störungsfreien Betrieb eines Lasers - beispielsweise in einer Anwendung für CD-(CompactDisk)-Spieler - ist eine kon­ stante Ausgangsleistung des Lasers wünschenswert. In diesem Zusammenhang ist aus dem Aufsatz "Vertical Cavity Surface Emitting Laser Packaging with Auto Power Control" von Wenbin Jiang u. a. aus IEEE 1997, S. 368 ff. ein vertikalabstrahlen­ der Laser mit einer Monitoreinheit bekannt. Die Monitorein­ heit umfaßt einen zweiten, gemeinsamen mit den ersten Laser auf einem gemeinsamen Substrat angeordneten vertikalabstrah­ lenden Laser, dem unmittelbar gegenüberliegend ein Monitor­ empfänger in Form einer Monitordiode angeordnet ist. Die Mo­ nitoreinheit ist Bestandteil eines Regelkreises, um die Aus­ gangsleistung des Nutz-Lasers zu stabilisieren. Fragen der Lasersicherheit sind in diesem Aufsatz nicht angesprochen.

Im Hinblick auf die Lasersicherheit sind grundsätzlich unter­ schiedliche anwendungsspezifische Betriebszustände der Sende­ einrichtung zu differenzieren.

Die EP-A1-0 296 427 beschreibt einen Laserdiodensender mit einer Schutzschaltung zur Sicherung gegen Personengefährdung beim Bruch von laserlichtführenden Lichtwellenleitern. Dazu ist an den Sendestrang ein Abzweig angeschlossen, mit dem ein Teil des betriebsgemäß gesendeten Lichtes auf eine Monitorfo­ todiode gekoppelt wird. Der Ausgangsstrom der Monitorfoto­ diode wird mit einem Referenzstrom verglichen und beim Über­ schreiten eines Grenzwertes werden die Speiseströme für den Lasersender unterbrochen.

Eine Überwachung und Regelung von Lasersendern im Normalbe­ trieb zur Einhaltung eines z. B. nach Standards zulässigen Ausgangsleistungswertes ist auch in der älteren Patentanmel­ dung mit dem amtlichen Aktenzeichen 196 23 883.8 beschrieben. Die vorgenannten Schutzeinrichtungen betreffen also die Lei­ stungsregelung im Normalbetrieb bzw. eine Laserabschaltung bei unzulässiger Überschreitung der Ausgangsleistung.

Ein davon grundsätzlich zu unterscheidender Betriebszustand ist der Fall, daß die Sendeeinrichtung sich - z. B. nach ei­ ner Störung - in einem Bereitschaftszustand zum erneuten Ver­ bindungsaufbau befindet. In diesem Zusammenhang beschreibt die EP-A2-0 437 162 eine auch als "Open Fibre Control(OFC)-System" bezeichnete Überwachungsschaltung mit einer Sicher­ heitsschaltung für bidirektional arbeitende Sende/Empfangs-Ein­ heiten (Transceiver), die Unterbrechungen der Verbindung zwischen einer Sendeeinrichtung und einem korrespondierenden Kopplungspartner erkennt. Unter dem Begriff "Kopplungspartner" ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung beispielsweise ein in eine passende Steckbucht einzustecken­ der Lichtwellenleitersteckverbinder, aber auch ein Lichtwel­ lenleiterkabel oder der am anderen Ende des Lichtwellenlei­ terkabels angeordnete Steckverbinder oder Empfänger zu ver­ stehen.

Wenn der Übertragungsweg zwischen dem Lasersender und dem zu­ geordneten Empfänger - beispielsweise durch Entfernen des Steckverbinders aus der Steckbucht - unterbrochen wird und damit die Gefahr austretenden und vagabundierenden Laser­ lichts entsteht, wird eine sofortige Abschaltung des Laser­ senders veranlaßt. Die Sicherheitsschaltung erkennt anhand vorgeschriebener Protokollprozeduren eine Unterbrechung des Datentransfers und schaltet den optischen Sender in einen Pulsbetrieb mit sehr geringer Impuls-Wiederholungsrate ("OFC-Be­ trieb") und damit in einen Betrieb mit erheblich verminder­ ter Ausgangsleistung. Die Breite der Sendeimpulse ist u. a. von dem zu erfüllenden Lasersicherheitsstandard abhängig. Erst nachdem eine vorbestimmte und zeitlich genau abzuarbei­ tende gegenseitige Sende- und Empfangsprozedur von Impulsen ("Handshake") einen erneuten Verbindungsaufbau konfirmiert, läßt die Sicherheitsschaltung das betriebsgemäße Senden von Nutzdaten mit wieder entsprechend erhöhter Ausgangsleistung (Nutzleistung) des Lasersenders zu.

Eine optische Sendeeinrichtung der eingangs genannten Art, die eine Sicherheitsschaltung zum OFC-Betrieb des Lasersen­ ders zur Verminderung der Ausgangsleistung im Falle einer un­ vollständigen Verbindung mit dem Kopplungspartner und eine nach außen optisch geschlossene Monitoreinheit umfaßt, ist aus der Broschüre "Sichere Laser-Transceiver für die schnelle Datenkommunikation"/Sonderdruck aus "Components"; Heft 4/96 bekannt. Bei einer Sendeeinrichtung mit OFC-System ist es wünschenswert, daß der Lasersender im Pulsbetrieb in ver­ gleichsweise kurzer Zeit eingeschaltet bzw. ausgeschaltet werden kann, um die gewünschte kurze Pulsdauer zu gewährlei­ sten und diese leistungsmäßig maximal zu nutzen. Um über die Leistungsregelung des Lasersenders möglichst geringe Ein­ schaltzeiten realisieren zu können, sind vergleichsweise ge­ ringe Zeitkonstanten des Reglers erforderlich. Dies birgt je­ doch Probleme beim Einschaltvorgang in Form eines sog. Über­ schießens ("overshoot") und eine erhöhte Schwingungsneigung. Um diesen Problemen zu begegnen, ist ein erheblicher schal­ tungstechnischer Aufwand erforderlich.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Weiterbildung einer Sendeeinrichtung der eingangs genannten Art derart, daß im Pulsbetrieb sehr kurze Einschalt- und Ausschaltzeiten für die Sendeimpulse realisierbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Sendeeinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Monitorla­ ser auch im Pulsbetrieb kontinuierlich betrieben wird und die Monitoreinheit damit stets ein Leistungsvorgabesignal zur Einstellung der Ausgangsleistung des Lasersenders bereit­ stellt und daß im Pulsbetrieb das Einschalten und Ausschalten der Sendeimpulse von der Regelung der Ausgangsleistung ent­ koppelt ist.

Ein wesentlicher Aspekt der erfindungsgemäßen Sendeeinrich­ tung besteht darin, daß das System zur Steuerung oder Ein­ stellung der Ausgangsleistungen der Lasersender (Nutzsender) von der Steuerung des Pulsbetriebs entkoppelt ist. Dazu ist zumindest ein Lasersender (nachfolgend auch als Pilotsender bezeichnet) einer mindestens aus zwei Lasersendern bestehen­ den Laseranordnung (Laserarray) nur für die Leistungseinstel­ lung der optischen Ausgangsleistung der Lasersender vorgese­ hen. Die Ausgangsleistung dieses Pilotsenders ist außerhalb der Sendeeinrichtung nicht zugänglich. Dadurch können die (bei störungsfreiem Betrieb zur Abgabe von Nutzleistung vor­ gesehenen) Lasersender (Nutzsender) von der Sicherheitsschal­ tung im Pulsbetrieb zur Ausgabe der Sendeimpulse veranlaßt werden, während der Pilotsender im Dauerbetrieb arbeitet. Die auch im Pulsbetrieb - also bei gestörter Verbindung von zumindest einem Lasersender zu seinem Kopplungspartner - kontinuierliche optische Ausgangsleistung des Pilotsenders wird durch das Leistungsvorgabesignal der Regelelektronik für den Pilotsender auf einem vorgegebenen Wert gehalten; der geregelte Ansteuerungsstrom für den Pilotsender dient somit als Referenzwert für die Leistungseinstellung des oder der übrigen Lasersender(s). Im Pulsbetrieb wird dann nur die Aus­ gangsleistung der Nutzsender geschaltet. Da also die Regel­ elektronik des Pilotsenders kontinuierlich arbeitet, müssen die kurzen Einschaltzeiten nicht über den Regelkreis reali­ siert werden, so daß sich ein einfacher und kostengünstiger Aufbau der Regelelektronik und unkritische Einregelzeiten bzw. eine hohe Stabilität realisieren lassen.

Eine weitere Erhöhung der Sicherheit der erfindungsgemäßen Sendeeinrichtung läßt sich nach einer vorteilhaften Ausge­ staltung der Erfindung dadurch erreichen, daß für jeden La­ sersender zumindest zwei Sicherheitsschaltungszweige vorge­ sehen sind, die eingangsseitig mit einem redundanten Signal zum Einschalten und Ausschalten der Sendeimpulse beaufschlagt sind und deren ausgangsseitige Ansteuersignale logisch UND-verknüpft sind. Zur Realisierung dieser Ausgestaltung können die beiden Sicherheitsschaltungszweige auch für mehrere oder alle Nutzsender von denselben zwei Schaltungszweigen gebildet sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung weiter erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße optische Sendeeinrichtung und

Fig. 2 einen Teil einer redundant ausgelegten Sicherheits­ schaltung.

Gemäß Fig. 1 umfaßt eine Sendeeinrichtung mehrere als opti­ sche Sender fungierende Lasersender L1 bis Ln, die in einem gemeinsamen Laserarray ausgebildet sind und die bei Ansteue­ rung über Dateneingänge D1 bis Dn einer Treiberschaltung T1 bis Tn Nutzleistung in Form optischer Signale S1 bis Sn in zugeordnete Lichtwellenleiter LWL abstrahlen.

Eine an sich beispielsweise aus der EP-A2-O 437 162 bekannte und deshalb nicht näher dargestellte Sicherheitsschaltung steuert im Falle einer unvollständigen Verbindung zumindest eines Lasersenders L1 bis Ln mit seinem Kopplungspartner zu­ mindest den jeweiligen Lasersender L1 bis Ln zur Verminderung seiner Ausgangsleistung in einen Pulsbetrieb ("OFC-Betrieb"). Kopplungspartner kann beispielsweise der jeweils nur andeu­ tungsweise dargestellte Lichtwellenleiter LWL sein, der in an sich bekannter Weise mittel geeignetem Steckverbinder in eine standardisierte Steckbucht (z. B. eine sog. und im Fibre Channel Standard standardisierte Duplex-SC-Bucht) eingesteckt ist. Für den Fall, daß der opplungspartner - also beispiels­ weise der Lichtwellenleitersteckverbinder oder der am anderen Ende des Lichtwellenleiters LWL angeordnete Steckverbinder - nicht korrekt verbunden oder der Lichtwellenleiter gebrochen ist erkennt die Sicherheitsschaltung das Ausbleiben von Ant­ wortsignalen auf einem nicht dargestellten Empfangskanal. In dem dann von der Sicherheitsschaltung veranlaßten Pulsbetrieb werden zu bestimmten Zeitpunkten Sendeimpulse von dem jewei­ ligen oder den Laser(n) L1 bis Ln ausgesendet. Die Pulsbreite dieser Sendeimpulse ist u. a. von dem zu erfüllenden Lasersi­ cherheitsstandard abhängig. Gängige Pulsbreiten liegen bei 154 µs oder 617 µs.

Eine Monitoreinheit ME enthält einen nachfolgend auch als Mo­ nitorlaser (Pilotsender) bezeichneten Laser ML und einen zu­ geordneten, nachfolgend auch als Monitordiode MD bezeichneten Monitorempfänger (Pilotempfänger). Der Monitorlaser ML ist Bestandteil eines auch die Lasersender L1 bis Ln enthaltenden Laser-Arrays. Dadurch ist gewährleistet, daß das elektrooptische Verhalten des Monitorlasers dem Verhalten der Lasersender entspricht. Die Monitoreinheit umfaßt eine an sich bekannte Regelelektronik R, der das Ausgangssignal MDA der Montitordiode MD als Regeleingangsgröße zugeführt ist. Das Ausgangssignal MDA ist von der emittierten Leistung des Monitorlasers ML abhängig und führt damit in bekannter Weise durch eine geschlossene Regelschleife zu einer Regelung des Monitorlasers ML, so daß dessen Ausgangsleistung - unabhängig von beispielsweise Alterungs- oder Temperatureinflüssen - stabil bleibt. Die Regelelektronik R stellt das den Monitor­ laser beaufschlagende Regelsignal RSL (Laser-Ansteuerstrom) ausgangsseitig auch als Referenzgröße für die Leistungsein­ stellung der Laser L1 bis Ln zur Verfügung. Die Monitorein­ heit arbeitet auch im Pulsbetrieb kontinuierlich, so daß auch in diesem Betriebszustand das Regelsignal RSL stets als Vorgabewert zur Leistungseinstellung der Laser L1 bis Ln zur Verfügung steht. Das Signal RSL wird über die Treiberschal­ tungen T1 bis Tn den Steuereingängen der Laser L1 bis Ln zu­ geführt.

Unabhängig von der Regelung durch die Regelelektronik R ist vorgesehen, daß die Sicherheitsschaltung über gesonderte Ein­ gänge LD1 bis LDn der Treiberschaltungen T1 bis Tn unmittel­ bar das zur Erzeugung der Sendeimpulse notwendige Einschalten bzw. Ausschalten der Lasersender L1 bis Ln bewirkt. Dazu wird jeder im OFC-Betrieb befindliche Lasersender mit einem Einschalt- bzw. Ausschaltsignal LD ON/OFF (Impuls EIN/ Impuls AUS) beaufschlagt.

Nach Fig. 2 kann der für die Sendeimpulserzeugung vorgese­ hene Teil der Sicherheitsschaltung redundant derart ausgelegt sein, daß für jeden zur Abstrahlung von Nutzleistung S1 bis Sn vorgesehenen Lasersender L1 bis Ln zwei unabhängige Si­ cherheitsschaltungszweige SZ1, SZ2 vorgesehen sind. Die Si­ cherheitsschaltungszweige SZ1, SZ2 werden eingangsseitig mit einem redundanten Einschalt- bzw. Ausschaltsignal LD ON/OFF, LD' ON/OFF beaufschlagt. Im Ausführungsbeispiel sind die aus­ gangsseitigen Ansteuersignale AN1, AN2 der Schaltungszweige SZ1, SZ2 wie angedeutet für jeden Nutzsender (Lasersender L1 bis Ln) über ein UND-Gatter UND logisch UND-verknüpft, so daß der nachgeordnete Lasersender nur beim Vorliegen beider Signale AN1, AN2 einen Sendeimpuls ausgibt.

Die dargestellte und mit einem an sich bekannten (EP-A2- 0 437 162 ) OFC-System ausgestattete Sendeeinrichtung ermög­ licht ein im OFC-Pulsbetrieb wünschenswertes vergleichsweise schnelles Ein- bzw. Ausschalten der Lasersender L1 bis Ln, ohne die Regelelektronik R dadurch beispielsweise hinsicht­ lich der Einregelzeit bzw. Regelzeitkonstanten zu beeinträch­ tigen. Durch die kontinuierlich arbeitende Regelelektronik wird die einzuregelnde optische Ausgangsleistung des Monitor­ lasers konstant gehalten und die im Regelkreis auftretenden Monitorlasertreiberströme RSL als Referenzwert den Treiber­ schaltungen der übrigen Lasersender zugeführt. Dies ermög­ licht, im OFC-Pulsbetrieb nur die Ausgangsleistung der Nutz­ signale abstrahlenden Lasersender zu schalten. Die darge­ stellte Sendeeinrichtung kann durch weitere Monitoreinheiten in ihrer Sicherheit weiter verbessert werden.

Claims (2)

1. Optische Sendeeinrichtung

• - mit zumindest einem Lasersender (L1), der bei Ansteuerung Nutzleistung in Form optischer Signale (S1) nach außen abgibt,
• - mit einer Sicherheitsschaltung, die im Falle einer unvollständigen Verbindung zwischen dem Lasersender (L1) und einem Kopplungspartner den Lasersender (L1) in einen Pulsbetrieb steuert, in dem der Lasersender (L1) zu bestimmten Zeitpunkten Sendeimpulse aussendet, so daß seine Ausgangsleistung gegenüber der Nutzleistung vermindert ist, und
• - mit einer nach außen strahlungssicheren Monitoreinheit (ME) mit einem Monitiorlaser (ML) und einem diesem zugeordneten Monitiorempfänger (MD), dadurch gekennzeichnet, daß
• - der Monitiorlaser (ML) auch im Pulsbetrieb kontinuierlich betrieben wird und die Monitoreinheit (ME) damit stets ein Leistungsvorgabesignal (RSL) zur Einstellung der Ausgangs­ leistung des Lasersenders (L1) bereitstellt und
• - daß im Pulsbetrieb das Einschalten und Ausschalten der Sendeimpulse von der Regelung der Ausgangsleistung ent­ koppelt ist.

2. Optische Sendeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Lasersender (L1) zumindest zwei Sicherheitsschal­ tungszweige (SZ1, SZ2) vorgesehen sind, die eingangsseitig mit einem redundanten Signal (LD ON/OFF, LD' ON/OFF) zum Einschalten und Ausschalten der Sendeimpulse beaufschlagt sind und deren ausgangsseitige Ansteuersignale (AN1, AN2) logisch UND-verknüpft sind.