DE2841433A1

DE2841433A1 - Vorstromregelung von laserdioden

Info

Publication number: DE2841433A1
Application number: DE19782841433
Authority: DE
Inventors: Herwig Dipl Ing Trimmel
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1978-09-22
Filing date: 1978-09-22
Publication date: 1980-03-27
Also published as: JPS5721871B2; JPS5543898A; DE2841433C2; US4385387A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 70p 6732 BRO

Vorstromregelung von Laserdioden

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Laserdioden zugeführten Vorstroms, die als Lichtsender in den Sendestufen von Signalübertragungssystemen mit Lichtwellenleitern eingesetzt sind.

Digitale Lichtwellenleiter-Übertragungssysteme weisen insbesondere bei hohen Ubertragungsgeschwindigkeiten als optische Sender in der Regel Gallium-Aluminium arsenid-Laserdioden auf. Derartige Laserdioden besitzen eine geknickte Licht-Stromkennlinie, die beispielsweise in der Fig. 2b dargestellt ist. Der im Knick der Kennlinie auftretende Strom I th wird dabei als Schwellenstrom bezeichnet. Durch diese Schwelle ergibt sich sowohl eine Einschaltverzögerung als auch ein Gleichrichtereffekt für den durch die Laserdiode fließenden Modulationsstrom. Insbesondere bei der Übertragung digitaler Signale mit hohen Bitraten kann eine derartige Einschaltverzögerung nicht hingenommen werden, der Laserdiode wird deshalb ein Vorstrom Io zugeführt, der in

Ah 1 Mai / 21.9.78

030013/0515

-£- YPA 78P 6 7 32 BRD

seiner Größe dem Schwellenstrom weitgehend entspricht. Da aber sowohl der Schwellenstrom als auch die Steilheit des anschließenden Kennlinienastes der Laserdiode temperatur- und alterungsabhängig sind, wird eine Regelung für den Schwellenstroa benötigt.

Sine erste bekannte Regelung ist so aufgebaut, daß die absolute Lichtausgangsleistung der Laserdiode mit Hilfe eines Photoempfängers gemessen und mit einem eingestellten Sollwert verglichen wird. Bei Abweichung der Lichtleistung vom Sollwert wird zur Regelung der mittleren Lichtleistung der Vorstrom der Laserdiode so nachge-. regelt, daß die Differenz zwischen Istwert und Sollwert der Lichtausgangsleistung verschwindet. Bei dieser Art der Regelung kann Jedoch nicht zwischen einer Änderung des Schwellenstromes und einer Änderung der Steilheit der Laserdiodenkennlinie unterschieden werden. Eine Abnahme der Steilheit würde bei dieser Art der Regelung zu einer übermäßigen Erhöhung des Vorstromes über den Schwellenstrom hinaus führen und den möglichen Modulationshub zwangsläufig verkleinern. Dadurch enthält dann die mittlere Lichtleistung einen zu großen Gleichlichtanteil, der zu einem erhöhten Empfängerrauschen führt und außerdem den Anteil des modulierten Lichts verkleinert.

Bei einer anderen bekannten Regelschaltung mit einem Spitzenwert- und einer Gleichlichtregelung werden sowohl Vorstrom als auch Modulationsstrom über zwei getrennte Regelschleifen nachgeführt.Die im nachfolgenden nicht weiter betrachtete Regelung des Modulationsstromes erfolgt dort durch Messung des Spitzenwertes der Lichtleistung, während zur Regelung des Vorstromes die dem Gleichlichtanteil der Laserdiode proportionale Größe durch Differenzbildung zwischen Spitzenwert und Mittel-

030013/0515

VPA 78P 6 7 32 BRD wert der Lichtleistung gewonnen wird. Bedingt durch diese Differenzbildung zwischen zwei nahezu gleich großen Größen steigt jedoch die Empfindlichkeit der Regelschaltung stark an. Kleine Verstärkungsänderungen in den zur Messung von Spitzen- und Mittelwert benötigten Verstärkern führen zu größeren Regelabweichungen. Dies ist besonders bei hohen Bitraten kritisch, da wegen der großen Verstärkerbandbreite einerseits nur ein geringer Gegenkopplungsgrad möglich ist und andererseits die Abweichung des Vorstromes voa gewünschten Wert nur sehr klein sein darf, um die Zeitverzögerung beim Einschalten der Laserdiode sehr gering zu halten.

Die angeführten Regelschaltungen besitzen einen gemeinsamen Nachteil, der sich aus der Messung des Lichts der Laserdiode ergibt. Es wird nämlich nicht das von der Laserdiode an die Lichtwellenleiterstrecke abgegebene Licht gemessen, sondern das vom hinteren Spiegel der Laserdiode emittierte Licht.Bei unterschiedlicher Alterung der beiden Spiegel ergeben sich dann zwangsläufig Regelabweichungen.

Eine weitere bekannte Regelschaltung basiert auf der zeitlichen Verzögerung zwischen dem Einschalten des Stromimpulses und dem Einsatz der stimulierten Emission in der Laserdiode. Voraussetzung dafür ist jedoch, daß der Vorstrom stets kleiner als der Schwellstrom ist. Diese Voraussetzung trifft aber bei der Übertragung digitaler Signale mit sehr hohen Bitraten nicht zu.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht also darin, das eingangs genannte Verfahren so weiter zu entwickeln, daß eine Ausregelung von temperatur- und alterungsabhängigen Änderungen des Schwellenstromes mittels Regelung des Vorstromes in einfacher Weise und

030013/0515

-*» VPA 78 P 6 7 3 2 BRD

bei Unterscheidung von Schwellenstrom- und Steilheitsänderungen möglich ist. Dabei soll die Regelung möglichst in Abhängigkeit von dem dem Lichtwellenleiter zugeführten Licht erfolgen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß dem Vorstrom eine periodische Schwingung mit gegenüber dem Übertragungssignal vergleichsweise niedriger Frequenz und geringer Amplitude überlagert wird, daß ein

10· Teil des von der Laserdiode abgestrahlten Lichtes abgezweigt und in ein elektrisches Signal umgeformt wird, daß dieses elektrische Signal breitbandig verstärkt und einer Spitzenwertgleichrichtung zur Erzeugung eines Richtsignals unterworfen wird, daß das Richtsignal mit einem Normsignal verglichen wird und daß der Mittelwert des erzeugten Vergleichssignals zur Vorstromregelung dient. Als besonders vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich, daß zur Regelung der absolute Wert der Lichtleistung nicht benötigt wird, daß Verstärkungsänderungen und unterschiedliche Durchlässigkeiten der beiden Spiegel der Laserdiode keinen Einfluß auf die Regelgenauigkeit haben und daß innerhalb eines gewissen Bereiches der Vorstrom sowohl kleiner als auch größer als der Schwellenstrom der Laserdiode einstellbar ist. Dadurch kann auch bei hohen Bitraten des übertragenen digitalen Signals eine optimale Impulswiedergabe erreicht werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich dadurch, daß dem Vorstrom eine Sinusschwingung überlagert ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist breit einsetzbar. So ist es sowohl möglich, daß es sich bei dem Übertragungssignal um ein digitales Signal handelt? es ist aber

030013/0615

284H33

VPA 78 P 6 7 3 2 BRD auch möglich, daß es sich bei dem Übertragungssignal um amplitudendiskretes analoges Signal handelt, das vorzugsweise frequenz- oder pulsphasenmoduliert ist.

Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich dadurch, daß im Hinblick auf eine leichte Meßbarkeit die Frequenz der Sinusschwingung etwa 10 kHz beträgt, und daß zur Vermeidung von Störungen bei der übertragung des digitalen Signals die Amplitude der Sinusschwingung etwa 1 % der Vorstromamplitude beträgt.

Im Hinblick auf einen einfachen Aufbau der auf dem erfindungsgemäßen Verfahren basierenden Anordnungen ist es zweckmäßig, daß das Richtsignal mit dem Normsignal hinsichtlich der Länge der negativen Halbwellen verglichen wird.

Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnung

näher erläutert werden.
20

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 die Prinzipschaltung zur Vorstromregelung von Laserdioden,

Fig. 2 die Entstehung von Verzerrungen bei der Übertragung der zur Regelung benötigten Schwingung,

Fig. 3 im Falle a das Laserausgangssignal und die Richtspannung nach Spitzenwertgleichrichtung und Kondensatorkopplung, sofern der Vorstrom kleiner als der Schwellstrom ist und im Falle b bei einem den Schwellenstrom Überschreitenden Vorstrom,

Fig. 4 eine erweiterte Prinzipschaltung zur Vorstromregelung und

Fig. 5 Diagramme der in der Schaltungsanordnung nach der Fig. 4 auftretenden Signale.

030013/051 5

VPA 78P 6 7 32 BRD In der Fig. 1 ist mit LD die betrachtete Laserdiode bezeichnet, die optisch an einen Lichtwellenleiter LWL angekoppelt ist und der am Punkte a ein Steuerstrom zugeführt wird. Der Steuerstrom setzt sich aus dem Modulationsstrom Imod und dem Vorstrom Io mit überlagertem Pilotsignalstrom Is zusammen. Die Amplitude des Pilotsignalstroms liegt bei 1 % der Amplitude des Vorstroms Io, während als Frequenz für das Pilotsignal 10 kHz gewählt wurde. In der Fig. 2 ist der am Punkte a auftretende Strom bei a, die Licht-Stromkennlinie der Laserdiode bei b und die weiteren in der Fig. 1 auftretenden Signale unter den gleichen Ziffern wie in der Fig. 1 dargestellt. Aus der Fig. 2b ist ersichtlich, daß die Licht-Stromkennlinie der Laserdiode durch die Schwelle S insgesamt einen nichtlinearen Verlauf hat. Dadurch ergeben sich im optischen Ausgangssignal der Laserdiode bestimmte Verzerrungen des Pilotsignals, die ein Maß für die Abweichung des Vorstroms Io vom tatsächlichen Schwellenstrom Ith ergeben. Wie aus der Fig. 2 ersichtlich, erfolgt während der positiven Halbwelle des Pilotsignals die Strom-Licht-Umsetzung unverzerrt, da die Laserdiode während dieser Halbwelle im linearen Teil der Laser-Kennlinie betrieben wird. Während der negativen Halbwellen des Pilotsignals liegt nur ein Teil des Modulationsstroms über dem Schwellenstrom, so daß sich während der negativen Halbwellen nur eine geringe Veränderung des von der Laserdiode abgegebenen Lichtes ergibt.

Das emittierte Licht c ist in der Fig. 2 ebenfalls dargestellt, es wird von einer Photodiode PD empfangen, in ein elektrisches Signal umgesetzt,usd-dadurch an einem Abschlußwiderstand eine Spannung erzeugt. Mit dem Abschlußwiderstand ist ein breitbandiger Wechselspannungsverstärker V1 verbunden, der eine relativ hohe untere Grenzfrequenz aufweist, durch die die Einhüllende,des

030013/0515

VPA 78 P 6 7 3 2 BRD Lichtsignals eliminiert wird, so daß nur ein der Pulsamplitude entsprechendes elektrisches Signal weiterverstärkt wird- Am Ausgang des Verstärkers V1 entsteht das Signal d, das nach einer Spitzenwertgleichrichtung mit der angeschlossenen Diode D1 das Gleichspannungssignal a ergibt.

Nach weiterer Verstärkung im zweiten Verstärker V2 wird durch den zweiten Kondensator C2 der Gleichspannungsanteil abgetrennt, so daß das Signal f entsteht. Dieses Signal wird zur Eliminierung des Absolutwertes dem Komparator Ko zugeführt, dessen Ausgangssignal bei g dargestellt ist. Der Komparator handelsüblicher Art ist dabei so eingerichtet, daß die Dauer to des Nullimpulses bei 0,8 πω des Piloteignals liegt, während das Tastverhältnis von to bezogen auf 2 πω des Pilotsignals bei 0,4 liegt. Durch anschließende Integration des Komparatorausgangssignals entsteht eine Gleichspannung, die proportional dem erwähnten Tastverhältnis ist.

Bei einer Erhöhung des Schwellenstroms wird die Dauer des Nullimpulses vergrößert, so daß sich die erzeugte Gleichspannung verringert und deren inverser Wert vergrößert. Im umgekehrten Fall, also bei einer Verringerung des Schwellenstroms,verringert sich die Dauer to des Nullimpulses und außerdem die inverse Gleichspannung. Die erzeugte inverse Gleichspannung wird in dem dritten Verstärker V3, einem Regelverstärker, weiter verstärkt und dem als Treiberstufe wirkenden vierten Verstärker V4 zugeführt. Mit dem Eingang des vierten Verstärkers V4 ist außerdem der Generator PG für das Pilotsignal verbunden.

In der Fig. 3a ist wiederum die Licht-Stromkennlinie der verwendeten Laserdiode mit dem zugeführten Modulationsstrom, das jeweils entstehende Laserausgangs-

030013/OB15

VPA 78Ρ 6 7 32 BRO signal c¹ bzw. c" und der Verlauf der Richtspannung nach Spitzenwertgleichrichtung bei e¹ bzw. e" dargestellt. Im F_alle der Fig. 3a ist dabei angenommen, daß der Vorstrom geringer als der Schwellenstrom Ith ist. Im Falle der Fig. 3b ist der insbesondere bei der Übertragung hoher Bitraten zu bevorzugende Fall dargestellt, daß der Vorstrom Io den Schwellenstrom Ith geringfügig überschreitet.

Bei den Figuren 2 und 3 wurde jeweils angenommen, daß der oberhalb der Schwelle S befindliche Kennlinienast der Laserdiode linear ist. Tatsächlich tritt aber bei Lichtleistungen von etwa 10 mV ein zweiter Knick der Licht-Stromkennlinie der Laserdiode auf, durch die die Steilheit wieder verringert wird. Dadurch wird bei hinreichend großer Aussteuerung der Laserdiode die opitische Pulsamplitude während der positiven Halbwelle des Pilotsignals wieder kleiner, wobei dies zusätzlich zur Abnahme der optischen Pulsamplitude während der negativen Halbwelle des Pilotsignals erfolgt. Diese Verhältnisse sind in der Fig. 4 dargestellt. Dort ist mit a wiederum das Steuersignal dargestellt, während b die Licht-Stromkennlinie der Laserdiode mit einem zweiten Knick beim Strom Ir zeigt. Durch diesen zweiten Kennlinienknick entsteht jeweils ein zusätzlicher Nullimpuls, der zu einer Phasenverschiebung der Lichtspannung führt, und dadurch die Vorstromeinstellung stören könnte.

Im Hinblick auf das vorstehend geschilderte Auftreten eines zusätzlichen Nullimpulses durch den zweiten Knick der Laserkennlinie wurde die Schaltungsanordnung nach der Fig. 1 in der in der Fig. 5 gezeigten Weise modifiziert. Die Schaltungsanordnung nach der Fig. 5 enthält wie die nach der Fig. 1 eine Laserdiode D2, eine mit dieser optisch gekoppelte Photodiode PD2 und nachge-

030013/0515

VPA 78 P ß 7 3 2 BRO

schaltete erste bzw. zweite Verstärker V11 bzw. V12 mit angeschlossenem Komparator Ko1, einen Regelverstärker V13, einen Treiberverstärker V14 und einen Pilotgenerator PG2.

Zusätzlich sind ein zweiter und ein dritter Komparator Ko2 und Ko3 vorgesehen. Der zweite Komparator Ko2 wird durch den Pilotgenerator PG2 gesteuert und erzeugt an seinen Ausgang ein Rechtecksignal, das während der positiven Halbwelle des Pilotsignals gleich logisch "1", und während der negativen Halbwelle des Pilotsignals gleich logisch ^N0" ist. Durch eine Verbindung der Ausgänge des ersten und des zweiten !Comparators Ko 1 und Ko2 in Form einer "verdrahteten Oder-Schaltung" (wired or) ergibt sich die gewünschte Ausblendung des störenden zusätzlichen Nullimpulses, der in der Fig. 4 mit too bezeichnet ist. Zusätzlich wurde in der Anordnung nach der Fig. 5 ein dritter Komparator Ko3 vorgesehen, dessen Ausgang ständig stromführend ist und dadurch immer auf der KoI-lektorrestspannung liegt. Am Ausgang des Komparators Ko3 ist der Kollektorwiderstand des verwendeten Transistors gesondert dargestellt, an dem die Referenzspannung zur Arbeitspunkteinstellung für den Regelverstärker V13 abgegriffen wird. Durch den zusätzlichen Komparator Ko3 zur Erzeugung der Referenzspannung erfolgt eine Kompensation hinsichtlich der Erzeugung.des Laserdiodenvorstromes Io im Hinblick auf Temperaturänderungen und Änderungen der Versorgungsspannungen.

5 Figuren

7 Patentansprüche

030013/0515

Claims

_Ό . ₊ ., . 78 P 6 7 3 2 BRD

Patentansprüche

1/ Verfahren zur Regelung des Laserdioden zugeführten Vorstroms, die als Lichtsender in den Sendestufen von Signalübertragungssystemen mit Lichtwellenleitern Signale eingesetzt sind, dadurch gekennzeichnet , daß dem Vorstrom eine periodische Schwingung mit gegenüber dem Übertragungssignal vergleichsweise niedriger Frequenz und geringer Amplitude überlagert wird, daß ein Teil des von der Laserdiode abgestrahlten Lichtes abgezweigt und in ein elektrisches Signal umgeformt wird _; daß dieses elektrische Signal breitbandig verstärkt und einer Spitzenwertgleichrichtung zur Erzeugung eines Richtsignals unterworfen wird, daß das Richtsignal mit einem Normsignal verglichen wird und daß der Mittelwert des erzeugten Vergleichssignals zur Vorstromregelung dient.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Vorstrom eine Sinusschwingung überlagert ist.
3· Verfahren nach Patentansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Übertragungssignal um ein digitales Signal handelt.
4. Verfahren nach Patentansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Übertragungssignal um ein amplitudendiskretes analoges Signal handelt, das vorzugsweise frequenz- oder pulsphasenmoduliert ist.
5. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Sinusschwingung etwa 10 kHz beträgt.

030013/0515

284H33

-2- ■ VPA 78P 6 7 32 BRO
6. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Amplitude der Sinusschwingung etwa 1 % der Vorstromamplitude beträgt.
7. Verfahren nach Patentanspruch 1, da d u r c h gekennzeichnet, daß das Richtsignal die Unterschreitung der Schwelle durch das Pilotsignal signalisierende negative Halbwellen aufweist und mit dem Normsignal hinsichtlich der Dauer der negativen Halbwellen verglichen wird und daß das Normsignal aus der periodischen Schwingung abgeleitet wird.

030013/051 5