DE4001898C2 - Optische Sendevorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer optischen Sendevorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine solche Sendevorrichtung ist in dem Artikel Nr. 2246 mit dem Titel "Optical Transmission Apparatus with 100 Mb/s Lader Diode Provided with Carrier Detection Circuit", der auf der General National Assembly of Society of Electronic Communication 1981 veröffentlicht wurde beschrieben.

Sie wird anhand der Fig. 1 bis 3 erläutert:

Fig. 1 zeigt das Schaltbild dieser bekannten optischen Sendevorrichtung. Die Vorrichtung verfügt über einen Übertragungsdaten-Eingangsanschluß 1, über den Übertragungsdaten eingegeben werden, einen Modulator 2, der geeignet ist zur Umsetzung der Eingangssignale in ein binäres Signal, eine Laserdiode 3 als Leuchtelement, die gemäß dem vom Modulator 2 ausgegebenen binären Strom Licht emittiert, ein Lichtempfangselement 4, das geeignet ist zum Empfang eines Teils des von der Laserdiode 3 emittierten Lichts und zur Umwandlung des empfangenen optischen Signals in ein elektrisches Signal, eine Bezugsstromquelle 5 zur Ausgabe eines Bezugsstroms, einen Stromverstärker 6 zur Lieferung eines Treibervorspannstroms, der proportional zur Differenz zwischen dem von der Bezugsstromquelle 5 bereitgestellten Bezugsstrom und dem durch das Lichtempfangselement 4 erzeugten Signalstrom ist, eine Vorspannungsquelle 7 für das Lichtempfangselement 4, und einen parallel zum Lichtempfangselement 4 geschalteten Kondensator 8.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, das die P-I-Charakteristik des Treiberstroms für eine Laserdiode gegenüber dem optischen Ausgangssignal der Diode illustriert. Die Kurve A entspricht der P-I-Charakteristik bei einer niedrigen Temperatur, während die Kurve B der P-I- Charakteristik bei einer hohen Temperatur entspricht.

Fig. 3 zeigt die Ausbildung des Stromverstärkers 6 mit Transistoren 61 bis 63.

Die Arbeitsweise der vorbeschriebenen bekannten optischen Übertragungsvorrichtung wird im folgenden erläutert:

Die über den Eingangsanschluß 1 eingegebenen Übertragungsdaten werden dem Modulator 2 zugeführt. Dieser erzeugt einen den Übertragungsdaten entsprechenden Strom und liefert ihn an die Laserdiode 3. Die Übertragungsdaten werden auch zur Bezugsstromquelle 5 geführt und der Bezugsstrom I_o, der durch Addition eines zum Impulstastverhältnis der Übertragungsdaten proportionalen Stroms und eines konstanten Stroms erhalten wird, wird von dieser ausgegeben. Ein Teil des optischen Ausgangssignals der Laserdiode 3 wird zum Lichtempfangselement (Monitor-Photodiode) 4 geleitet, so daß ein Strom I_PD durch dieses bewirkt wird. Der Differenzstrom aus dem Bezugsstrom I_o der Quelle 5 und dem durch das Element 4 fließenden Strom I_PD wird dem Stromverstärker 6 zugeführt, und nachdem dieser mit einer bestimmten Verstärkung verstärkt wurde, wird er als Vorstrom der Laserdiode 3 zugeleitet. Der Vorstrom fließt stets durch die Laserdiode 3, und die Laserdiode 3 leuchtet, wenn der Strom vom Modulator 2 durch diese hindurchfließt. Wenn das optische Ausgangssignal der Laserdiode 3 stärker wird, steigt der Strom durch das Lichtempfangselement 4 auch an, wodurch der Ausgangsstrom des Stromverstärkers 6 geringer wird mit der Folge, daß das optische Ausgangssignal der Laserdiode 3 reduziert wird. Wenn umgekehrt das optische Ausgangssignal der Laserdiode 3 abnimmt, steigt aus einem entsprechenden Grund dieses Ausgangssignal wieder an. Demgemäß kann aufgrund der vorbeschriebenen negativen Rückkopplung das optische Ausgangssignal im wesentlichen auf einem konstanten Wert gehalten werden.

Der Stromverstärker 6 muß einen sehr großen Wert für den Verstärkungsfaktor aufweisen; daher wird ein Verstärker vom Darlington-Typ wie in Fig. 3 gezeigt, verwendet.

Unter der Annahme, daß die Stromverstärkungsfaktoren der Transistoren 61 bis 63 mit β₁, β₂ und β₃ bezeichnet sind, wird der Verstärkungsfaktor des Stromverstärkers wie folgt bestimmt:

β = β₁ · β₂ · β₃

Da im allgemeinen der Stromverstärkungsfaktor eines npn-Transistors mehr als 30 betragen kann, wird für den Stromverstärker nach Fig. 3, der aus drei npn-Transistoren aufgebaut ist, ein Verstärkungsfaktor β von mehr als 27 000 erhalten. Wenn die Transistoren 61 bis 63 im leitenden Zustand sind, dann stellt sich dieser hohe Stromverstärkungsfaktor ein, der eine angemessene automatische Verstärkungsregelungs-Charakteristik ermöglicht.

Da die bekannte optische Übertragungseinrichtung wie vorbeschrieben ausgebildet ist, wird der Vorspannstrom I_B der Laserdiode 3 im allgemeinen unterhalb des Schwellenstroms I_th eingestellt. Demgemäß kann selbst dann, wenn ein großer Vorstrom I_B1 bei hoher Temperatur eingestellt wird, wie Fig. 2 zeigt, der Vorstrom I_B2 bei niedriger Temperatur nahezu Null werden. In diesem Niedrigtemperaturzustand sind die Transistoren 61 bis 63 des Stromverstärkers nach Fig. 3 gesperrt, und der Verstärkungsfaktor des Stromverstärkers wird so klein, daß die Konstanthaltung des Spitzenwertes des optischen Ausgangssignals bei Änderungen des Impulstastverhältnisses und der Temperatur nicht mehr gewährleistet ist, wodurch auch die Verstärkungsregelungscharakteristik verschlechtert wird.

Neben dieser bekannten Übertragungsvorrichtung ist in der DE-OS 37 05 697 eine Schaltungsanordnung zur Stabilisierung des Laserstromes in einem Lichtleiterkommunikationssystem beschrieben, bei dem der Laserdiode unter Verwendung eines Rückkopplungszweiges Vorstrom nur dann zugeführt wird, wenn sie Daten sendet, um Restlicht und daraus resultierendes Rauschen zu verringern. Der Vorstrom wird bei dieser Lösung nach jeder Sendung erneut justiert.

Der DE-OS 27 30 056 ist ein Regler für einen Lichtsender zu entnehmen, mit dem die Emissionsschwelle der Laserdiode unabhängig von der Temperatur und dem Alter der Laserdiode auf einem optimalen Wert gehalten werden soll. Auch in diesem Fall wird mit einer Vorspannung und mit einer negativen Rückkopplung gearbeitet.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die optische Sendevorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 für einen temperaturunabhängigen Betrieb auszulegen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der Stand der Technik wird in den Fig. 1 bis 3 dargestellt: Es zeigen

Fig. 1 das Schaltbild einer bekannten optischen Übertragungsvorrichtung,

Fig. 2 einen P-I-Charakteristik-Diagramm einer Laserdiode,

Fig. 3 den Aufbau eines Stromverstärkers in der bekannten Übertragungsvorrichtung.

Die Erfindung wird anhand von in den Fig. 4 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 4 bis 6 Schaltbilder von einem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 7 einen Schaltkreis mit einem temperaturabhängigen Widerstand, und

Fig. 8 das Schaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die Erfindung wird nun anhand des Ausführungsbeispiels der Fig. 4 erläutert. Hierin sind die gleichen Komponenten wie die in Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die optische Übertragungsvorrichtung weist einen Widerstand 11, der parallel zur lichtemittierenden Laserdiode 3 geschaltet ist, auf.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 4 wird nachfolgend beschrieben.

Im allgemeinen liegt eine Spannung VF in Vorwärtsrichtung einer Laserdiode im Bereich von 1,2 V. Wenn der Widerstandswert des Widerstandes 11 R_B ist, läßt sich der durch den Widerstand 11 in den Stromverstärker 6 fließende Strom I′_B wie folgt ausdrücken:

I′_B ≅ 1.2/R_B

Wenn R_B=300 Ω angenommen wird, dann ist I′_B=4 mA. Dies bedeutet, daß selbst im ungünstigsten Fall der Strom oberhalb 4 mA in den Stromverstärker 6 fließen kann, oder es tritt niemals ein Abschaltzustand am Verstärker 6 auf, wodurch ein hoher Stromverstärkungsfaktor β gewährleistet werden kann. Für den Wert des Widerstandes 11 wird ein angemessener Wert bevorzugt, der viel größer als der Widerstand R_ON der Laserdiode 3 in deren EIN-Zustand ist. R_ON liegt normalerweise im Bereich von 5. Wenn der Wert R_B mehr als 100 beträgt, kann der Modulationsausgangsstrom des Modulators 2 im wesentlichen zur Laserdiode 3 fließen, so daß die Herabsetzung des Modulationswirkungsgrades vernachlässigbar ist.

Die Fig. 5 und 6 illustrieren ein zweites und drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In diesem sind ein variabler Widerstand 11₁ und einer Temperaturfühler 12 gezeigt. Der stationäre Widerstand 11 des ersten Ausführungsbeispiels ist hier durch den variablen Widerstand 11.1 ersetzt, dessen Wert temperaturabhängig mittels des Fühlers 12 gesteuert wird. Ein stationärer Widerstand 11.2 in Fig. 6 dient zur Verhinderung eines übermäßigen Stromflusses, wenn der Wert des temperaturabhängigen Widerstandes 11.1 sehr klein und im wesentlichen gleich der Impedanz der Laserdiode 3 ist. Der Wert des Widerstandes 11.2 beträgt mehrere hundert Ω.

Der variable Widerstand 11.1 wird beispielsweise durch einen Feldeffekttransistor 11.3 gebildet, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Der Temperaturfühler 12 besteht gemäß Fig. 7 aus einem Widerstand 12.1, einem Thermistor 12.2 mit negativer Charakteristik und einer Vorspannungsquelle 12.3. Der Widerstand zwischen Drain und Source des Feldeffekttransistors 11.3 liegt im Bereich von 300 bis 10 KΩ und wird über den Ausgang des Temperaturfühlers 12 gesteuert.

Fig. 8 stellt ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar, bei dem ein Temperaturkompensations- Schaltkreis 13 für den modulierten Strom der Schaltung nach dem ersten Ausführungsbeispiel hinzugefügt ist. Der Kompensations- Schaltkreis dient zur Erhöhung des Modulator-Ausgangsstroms I_M bei erhöhter Temperatur, um trotz der dabei sich einstellenden geringeren Kennliniensteigung (Fig. 2) dieselbe optische Ausgangsleistung zu erzielen.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, hat der Strom/Licht-Umwandlungswirkungsgrad einer Laserdiode eine bestimmte Temperaturcharakteristik und im Fall einer Laserdiode vom Fabry-P´rot-Typ ändert sich dieser Wirkungsgrad in der Größenordnung von 0,05 W/A im Temperaturbereich von 0-70°C.

Wenn ein Widerstand mit einem positiven und großen Temperaturkoeffizienten als Parallel-Widerstand 11 zur Laserdiode 3 verwendet wird, kann ein übermäßiger Leistungsverbrauch bei hoher Temperatur vermieden werden. Dafür wird gegenwärtig die Verwendung eines Temperaturkoeffizienten von 5000 ppm/°C in Betracht gezogen. Demgemäß ist im Temperaturbereich von -30°C bis 70°C der Widerstandswert bei einer Temperatur von 70°C 1,5mal größer als der bei 30°C, und die vom Widerstand 11 verbrauchte Leistung kann im Vergleich zur Vorrichtung ohne den Kompensations-Schaltkreis 13 um 67% reduziert werden.

Claims (8)

1. Optische Sendevorrichtung mit einem lichtemittierenden Element zur Ausgabe eines optischen Ausgangssignals zur Übertragung von Daten, einem Strommodulator zum Liefern eines modulierten binären Stroms an das lichtemittierende Element in Abhängigkeit von eingegebenen binären Daten, und einer Einrichtung zur Erzeugung eines Vorstromes für das lichtemittierende Element, die einen fotoelektrischen Wandler zum Empfang eines Teiles des optischen Ausgangssignals des lichtemittierenden Elements und zur Ausgabe eines dem empfangenen optischen Signal entsprechenden Stroms, eine Bezugsstromquelle zur Ausgabe eines Bezugsstroms und einen Stromverstärker zur Verstärkung der Differenz aus dem Ausgangsstrom des fotoelektrischen Wandlers und dem Bezugsstrom und zur Ausgabe des verstärkten Differenzstroms als Vorstrom für das lichtemittierende Element umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum lichtemittierenden Element (3) eine Widerstandsschaltung (11) zum Erhöhen des Vorstromes, der durch den Stromverstärker (6) in der Einrichtung zur Erzeugung des Vorstromes fließt, angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschaltung (11) durch einen Thermistor, dessen Widerstand bei steigender Temperatur ansteigt, gebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschaltung ein variables Widerstandselement (11.1) mit einem Steueranschluß und eine Widerstandssteuereinrichtung (12) zur Lieferung eines temperaturabhängigen Steuersignales zum Steueranschluß des variablen Widerstandselementes (11.1) aufweist, um den Widerstand des variablen Widerstandselementes (11.1) bei ansteigender Temperatur zu erhöhen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschaltung außerdem einen mit dem variablen Widerstand (11.1) in Reihe geschalteten stationären Widerstand (11.2) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das variable Widerstandselement (11.1) einen Feldeffekttransistor (11.3) mit einem Gate als Steueranschluß aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerrstandssteuereinrichtung (12) eine Reihenschaltung eines stationären Widerstandes (12.1), eines Thermistors (12.2) und einer Vorspannungsquelle (12.3) aufweist, und ein Anschlußpunkt zwischen dem stationären Widerstand (12.1) und dem Thermistor (12.2) mit dem Gate des Feldeffekttransistors (11) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Bezugsstromausgang der Bezugsstromquelle (5) die Summe eines konstanten Stromes und einem zum Impulstastverhältnis der übertragenen Daten proportionalen Strom anliegt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtemittierende Element eine Laserdiode (3) ist.