DE2606225A1

DE2606225A1 - Ausgangsleistungsstabilisierungsschaltung fuer eine strahlungsemittierende diode

Info

Publication number: DE2606225A1
Application number: DE19762606225
Authority: DE
Inventors: Loach Jun Bernard Collins De; Domenico Jun Mauro Di
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1975-02-18
Filing date: 1976-02-17
Publication date: 1976-08-26
Also published as: US3946335A; FR2301939B1; GB1532014A; CA1038939A; JPS51107785A; JPS5838949B2; FR2301939A1; NL7601601A

Description

BLUMBACH . WESER · BERGEN . KRAMER ZWIRNER - HIRSCH

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

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Western Electric Company, Incorporated De Loach, 14-4 New York, N. Y. 10007, USA

Ausgangsleistungsstabilisierungsschaltung für eine Strahlungsemittierende Diode

Die Erfindung betrifft eine Ausgangsleistungsstabilisierungsschaltung für eine strahlungsemittierende Diode mit einem Treiberverstärker, einem Fotodetektor und einer Vorrichtung zum Koppeln eines Teils des abgestrahlten Diodenausgangssignals auf den Fotodetektor.

Die Ausgangsleistung einer Strahlungsemittierenden Diode ändert sich bekanntlich als Funktion der Temperatur, der natürlichen Alterung und des Treibstroms. Da Materialien und Herstellungsmethoden verbessert worden sind, hat sich das Problem der Alterung verringert. Temperaturveränderungen kann man dadurch in den Griff bekommen, daß man entv/eder die Diode in eine geregelte Umgebung (Ofen oder Kühlschrank) gibt oder daß man den Treibstrom so programmiert,

München: Kramer. Dr. Weser - Hirsch — Wiesbaden: Blumbäch · Dr. Bergen · Zwii ner

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daß die Temperaturänderungen korrigiert werden. Diese Art der Steuerung erfordert jedoch entweder eine individuelle Einstellung auf jede Diode oder extrem niedrige Toleranzen der Typenparameter, was wiederum zu einer verringerten Ausbeute und höheren Kosten führt.

Der dritte der oben genannten Faktoren, d. h. der Treibstrom, ist besonders wichtig, und zwar auf Grund der Leichtigkeit, mit welcher eine katastrophale Spiegelbeschädigung bei Diodenlasern auftritt, wenn die Strahlungsausgangsleistung den kritischen Wert übersteigt. Dies kann auftreten als Folge ungewollter Schwankungen des Treibstroms, die bei den Dioden mit höherem Wirkungsgrad nicht allzu groß zu sein brauchen.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die Ausgangsleistung von Diodenlasern zu stabilisieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit Hilfe einer schnell reagierenden, eine negative Rückkopplung aufweisenden Schaltung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Treiberverstärker durch einen Transistor in Emitterschaltung gebildet ist, daß es sich bei der Diode um einen zwischen den Kollektor und den Emitter des Transistors geschalteten Laser handelt, daß der Fotodetektor zwischen die Basis und

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den Emitter des Transistors geschaltet ist und daß das Eingangssignal zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors angelegt ist.

Im Betrieb wird ein Teil der vom Laser abgestrahlten Ausgangsenergie auf den Fotodetektor zurückgekoppelt. Der durch die einfallende Laserstrahlung im Fotodetektor erzeugte Fotostrom verringert den Transistorbasisstrom und erzeugt somit die negative Rückkopplung.

Es wird gezeigt, daß das gesamte Laserausgangssignal in erster Ordnung vom Lasersteilheitswirkungsgrad abhängt. Die Rückkopplungssteuerungsschaltung erzeugt deshalb im wesentlichen Unempfindlichkeit gegenüber Änderungen dieses Parameters entweder von Bauelement zu Bauelement oder innerhalb desselben Bauelementes.

Es wird ferner gezeigt, daß die Empfindlichkeit des Laserausgangssignals gegenüber Änderungen des Schwellenwertstroms, des Treibstroms und der Treibtransistorstromverstärkung stark reduziert ist. Alle diese Verbesserungen tragen zur Stabilisierung der Gesamtwirkung der Vorrichtung bei und machen die Möglichkeit einer katastrophalen Spiegelzerstörung minimal.

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Es Ist ein Vorteil der Erfindung, daß die Rückkopplungsschaltung genügend schnell wirkt, um in einer Digitalanlage auf einer Impuls-für-Impuls-Basis reagieren zu können.

Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Vorteile an Hand von Ausführungsformen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Diodenlasertreibschaltung mit Rückkopplung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine typische Ausgangsenergie-Eingangsstrom-Kennlinie eines Diodenlasers; und

Fig. 3 eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt eine Laserausgangssignalstabilisierungsschaltung entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung. Grundsätzlich umfaßt die Schaltung einen Treibtransistor 10, der in Emitterschaltung angeschlossen ist, und einen Fotodetektor 11. Letzterer, der mittels einer Gleichspannungsquelle 12 in

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Sperrichtung vorgespannt ist, ist zwischen die Basiselektrode und die Emitterelektrode des Transistors 10 geschaltet.

Der Diodenlaser 13 ist zwischen die Kollektorelektrode und die Emitterelektrode des Transistors 10 geschaltet. Nicht speziell dargestellte Vorrichtungen sind vorgesehen, um einen Teil der Laserausgangsenergie auf den Fotodetektor zu koppeln. Diese Strahlungsrückkopplung kann dadurch bewirkt werden, daß mit Hilfe von vollständig oder teilweise reflektierenden Spiegeln ein Teil der Ausgangsleistung zurück zum Detektor 11 reflektiert wird, oder daß beide Laserresonatorspiegel teilweise durchlässig gemacht werden und das Ausgangssignal von einem der beiden Laserspiegel als Nutzausgangssignal und das Ausgangssignal vom anderen Laserspiegel als Rückkopplungssignal verwendet wird.

Eine Treibersignalquelle 14 ist zwischen die Basiselektrode und die Emitterelektrode des Transistors 10 geschaltet.

Beim NichtVorhandensein eines Eingangssignals von der Treiberquelle 14 besteht kein Ausgangssignal vom Laser 13, und die Rückkopplungsschleife zwischen dem Laser 13 und dem Fotodetektor 11 ist offen. Wenn das Treibsignal zugeführt wird, bleibt die Schleife offen, bis der Kollektorstrom den Laserschwellenwertstrom Lj, übersteigt. Bei diesem Punkt wird der Laser eingeschaltet und der Fotodetektor

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beleuchtet.

Um die Arbeitsweise der Schaltung zu analysieren, werden einige vereinfachende Annahmen gemacht. Als erstes wird die Beziehung zwischen der Laserausgangsenergie und dem Laserinjektionsstrom, die in Fig. 2 graphisch dargestellt ist, angenähert durch

L = 0 für I_L i I₅, (1)

und L = η (I_L - I₁) für I_L 1 I₁. (2)

Dabei ist L die gesamte Laserausgangsenergie;

Im der Laserschwellenwertstrom;

I-, der Laserstrom;

und - η eine differentieller Steilheits

wirkungsgrad genannte Konstante.

Die Sperrspannung am Fotodetektor wird genügend groß gemacht, so daß der Detektor für die Treiberquelle, die selbst eine hote Ausgangsimpedanz aufweist, im wesentlichen als offener Schaltungskreis erscheint. Wenn der Fotodetektor jedoch beleuchtet wird, wird er zu einer Stromquelle, deren Strom

mit der auftreffenden Beleuchtung L„„ verknüpft ist durch

pe

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Dabei ist K die Fotodetektorwirkungsgradkonstante.

Der Fotodetektor erzeugt lediglich dann Strom, wenn er beleuchtet wird, und folglich nur dann, wenn der Transistor 10 "ein" ist. In diesem "ein"-Zustand stellt der in der Flußrichtung vorgespannte Basis-Emitter-Übergang des Transistors für den Detektor eine niedrige Impedanz dar, und der Fotodetektorstrom fließt im wesentlichen vollständig durch diesen Übergang. Der resultierende Basisstrom I, ist deshalb

Dabei ist I^ der Treibquellenstrom.

Bezeichnet man die TransistorStromverstärkung als ß, ergibt sich der Laserstrom 1^, der in der Ausführungs form nach Fig. 1 gleich dem Kollektorstrom I ist, zu

= ^ß

Bezeichnet man denjenigen Bruchteil des gesamten Laserausgangssignals, der vom Fotodetektor aufgenommen wird, als f, läßt sich aus den Gleichungen (3) und (4) ableiten:

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¹L = ^ß [^Jd - ^fKn

Löst man nach I_L auf, ergibt sich

Nimmt man an, daß die Hälfte der gesamten Ausgangsenergie in der Rückkopplungsschleife verwendet wird, d. h., f = 1/2, und nimmt man für K, ß und η typische Werte an, nämlich K = 0,^r mA/mW, ß = 100 und η = 0,6 mW/mA, ist der Term fKßn im Nenner etwa gleich 16. Da dieser Wert viel größer als 1 ist, kann die 1 im Nenner vernachlässigt werden, so daß sich Gleichung (7) vereinfacht zu

I_L *»I_T + I_d/fKn. (8)

Setzt man Gleichung (7) für L·. in Gleichung (2) ein und führt man dieselbe Näherung wie in Gleichung (8) durch, erhält man für die gesamte Laserausgangsenergie

k [^ßIa -

Das erste, was zu Gleichung (9) zu bemerken ist, ist die Tatsache, daß die Laserausgangsleistung in erster Näherung unabhängig vom LaserSteilheitswirkungsgrad η ist. Die Rück kopplungsschaltung erzeugt somit praktisch Unempfindlichkeit gegenüber Änderungen dieses Parameters, und zwar ent-

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weder von Laser zu Laser oder innerhalb eines gegebenen Lasers.

Genauer ausgedrückt ist die gesamte Laserausgangsleistung gegeben durch

n(BI_d - I_T)

1 + ßfKn *

Verwendet man diesen genaueren Ausdruck, findet man, daß die Empfindlichkeit der Laserausgangsleistung gegenüber Änderungen von η bei Rückkopplung gegeben ist durch

^Δη (ßfKn)² ' während sie ohne Rückkopplung gegeben ist durch

was um den Faktor (ßfKn) ²^ 1 größer ist.

Zweitens ist zu bemerken, daß die Empfindlichkeit des Laserausgangssignals gegenüber Änderungen des Laserschwellenwertstroms, gegenüber Änderungen des Treibstroms und gegenüber Änderungen der Transistorstromverstärkung in jedem Fall beträchtlich reduziert ist.

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Zum Beispiel:

a) Die Verhältnisse zwischen der Änderung der Ausgangsleistung al zur Änderung des Schwellenwertstromes sind gegeben durch

(mit Rückkopplung) (13)

¹¹¹¹⁽¹ |i = - η (ohne Rückkopplung). (14)

Für die zuvor gegebenen Parameter sind diese Verhältnisse -4x1 O*"² raW/mA bzw. -6OxIO""² mW/mA, was einer fünfzehnfachen Verbesserung entspricht.

b) Die Verhältnisse zwischen der Änderung der Ausgangsleistung AL zur Änderung des Treibstroms L·.!^ sind gegeben durch

£γ- = X₇ (mit Rückkopplung) (15)

d
und

Ij- = nß (ohne Rückkopplung). (16) d

Für dieselben Zahlenwerte sind diese Verhältnisse 4 mW/mA bzw. 60 mW/mA, also auch hier ebenfalls eine fünfzehnfache Verringerung.

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c) Die Empfindlichkeiten des Laserausgangssignals gegenüber Änderungen der Transistorverstärkung sind gegeben durch

—2U (mit Rückkopplung) (17)

und

^ (ohne Rückkopplung). (18)

Für einen Laser mit einem Schwellenwertstrom von 100 mA und einem Nennbetrieb bei 10% oberhalb des Schwellenwertes erhält man für I^ ohne Rückkopplung 1,1 mA und für die Gleichungen (14) und (15) Werte für AL/Aß von 0,04 mW bzw. 0,66 mW. Somit wird mit Rückkopplung die Empfindlichkeit der Ausgangsleistung gegenüber Änderungen von ß um einen Faktor von etwa 16 verringert.

An Hand des TreibStroms ausgedrückt ist die Ausgangsleistung des Lasers gegeben durch

L = nß (I_d - I_T/ß) (ohne Rückkopplung) (19)

L = (1/fK) (?_a - I_T/ß) (mit Rückkopplung). (20)

Um dieselbe Ausgangsleistung mit und ohne Rückkopplung zu erhalten, werden die Gleichungen (19) und (20) gleichge-

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setzt und man erhält

I_d = nßfKI_d - (nßfK-1) (l_T/ß). (21)

Unter den zuvor spezifizierten Bedingungen findet man, daß II *= 2,5 mA, oder daß für dasselbe Ausgangssignal der Treibstrom bei Rückkopplung 2,27 mal so groß wie der Treibstrom ohne Rückkopplung (Ij = 1,1 mA) ist. Was jedoch bedeutsamer ist, ist die reduzierte Empfindlichkeit des Laserausgangssignals gegenüber Änderungen des Treibstroms und anderer Schaltungsparameter.

Fig. 3 zeigt die Ausführungsform nach Fig. 1, und zwar modifiziert, um zwei Tatsachen aus praktischer Betrachtung zu berücksichtigen. Wenn auch beide Tatsachen im Ausführungsbeispiel berücksichtigt sind, hängt es natürlich von der besonderen Anwendung ab, ob die eine oder die andere oder beide Modifikationen in irgendeinem speziellen Fall umfaßt werden.

Die erste dieser Modifikationen ist eine vorspannende Schaltung mit einer Gleichstromspannungsquelle 20, einem Widerstand 21 und einer HF-Drossel 22. Die Vorspannungsschaltung überbrückt die Laserdiode 13 und dient zur Aufrechterhaltung eines durch die Diode fließenden minimalen VorspannungsStroms I₀. Der Vorspannungsstrom, der kleiner

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als der Schwellenwertstrom ist, ist vorgesehen, um die Lasereinschaltzeit zu verringern.

Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform umfaßt außerdem eine zweite Diode 23» wie eine Schottky-Barrier-Diode, die den Basis-Emitter-Übergang des Transistors 10 überbrückt. Diese Diode ist eingefügt, um einen Sperrichtungsdurchbruch des Basis-Emitter-Übergangs zu verhindern. Es sei bemerkt, daß sowohl der Fotodetektor 11 als auch der Basis-Emitter-Übergang des Transistors 10 durch die Gleichstromspannungsquelle 12 in Sperrichtung vorgespannt sind. Diese Spannung kann mindestens 100 V oder größer sein. Diese Spannung wird auf den Fotodetektor und den Basis-Emitter-Übergang aufgeteilt. Um zu vermeiden, daß sich über dem Basis-Emitter-Übergang eine zu große Sperrspannung entwickelt, ist die in Durchlaßrichtung gepolte Diode 23 parallel zum Basis-Emitter-Übergang geschaltet. Dies zwingt die Sperrvorspannung über dem Übergang auf irgendeinen genau festgelegten niedrigen Wert. Alternativ dazu kann ein Widerstand an Stelle einer Diode verwendet werden. In diesem zweiten Fall wird die Basis-Emitter-Spannung durch den durch den Fotodetektor fließenden Leckstrom und die Größe des zugefügten Widerstandes bestimmt. Wenn die Ausgangsimpedanz der den Transistor 10 treibenden Signalquelle genügend niedrig ist, zwingt sie die Basis-Emitter-Übergangsspannung auf einen sicheren, niedrigen Wert, und in

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diesem Fall braucht kein gesonderter Widerstand hinzugefügt zu werden.

Die Arbeitsweise der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist im wesentlichen dieselbe, wie sie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben worden ist, mit der Ausnahme, daß die Gleichungen (7), (8) und (9) nun gegeben sind durch

fl(l_d + fKnI_T) + I₀ ¹L ~ C1 + BtSn) ' ⁽²²'

^L ¹T ⁺ fKn ⁺ SfSn ^⁰'

1 r

bZW. L« TTpT₇ ßl_d -

Die die Empfindlichkeit betreffenden Gleichungen bleiben un beeinflußt mit Ausnahme der Gleichung (17), in welcher Im ersetzt wird durch (I™ - I_Q).

Eine in der vorstehenden Analyse implizit enthaltene Annahme ist die rechtzeitige Zuführung des Rückkopplungs-(d. h. Fotodetektor-)Stroms zur Basis des Transistors. Das bedeutet, daß die gesamte Schleifenverzögerung höchstens gleich oder kürzer als die Geschwindigkeit ist, mit welcher die Ausgangsleistung in der Laserdiode aufgebaut wird.

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Die erforderliche schnelle Reaktion wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Fotodetektor in den Basis-Emitter-Schaltungskreis des Lasertreibertransistors gesetzt wird. Zusätzlich verwendet man vorteilhafterweise einen schnell ansprechenden Fotodetektor, und außerdem kann man den Treibstromimpuls formen, um den Leistungsaufbau im Laser zusätzlich zu steuern.

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Claims

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Patentansprüche

1,) Ausgangsleistungsstabilisierungsschaltung für eine Strahlungsemittierende Diode, mit einem Treiberverstärker, einem Fotodetektor und einer Vorrichtung zum Koppeln eines Te^-1Ms des abgestrahlten Diodenausgangssignals auf den Fotodetektor,

dadurch gekennzeichnet, daß der Treiberverstärker durch einen Transistor (10) in Emitterschaltung gebildet ist, daß es sich bei der Diode (13) um einen zwischen die Kollektorelektrode und die Emitterelektrode des Transistors (10) geschalteten Laser handelt; daß der Fotodetektor (11) zwischen die Basiselektrode und die Emitterelektrode des Transistors geschaltet ist; und daß ein Eingangsimpuls zwischen Basiselektrode und Emitterelektrode des Transistors angekoppelt ist.
2. Schaltung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Fotodetektor (11) um eine in Sperrichtung vorgespannte Fotodiode handelt.

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3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Begrenzungsvorrichtung (23) vorgesehen ist zur Begrenzung der über dem Basis-Eraitter-Übergang des Transistors (10) entwickelten Vorspannung.
4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Diode (13) vorspannende Vorrichtung (20, 21, 22) vorgesehen ist.

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