Brevet FR2542511A1 — publié le 19840914

- Procédé et dispositif de régulation de la puissance lumineuse de diodes laser L'invention concerne la régulation des diodes laser devant fonctionner en régime continu et elle trouve une application importante, bien que non exclusive, dans le domaine des transmissions numériques sur fibres optiques. On sait que les diodes laser sont largement utilisées pour la transmission sur fibres optiques, du fait notamment qu'elles sont capables de fonctionner à des fréquences beau- coup plus élevées que les diodes électroluminescentes Mais en contrepartie, ces diodes laser ont l'inconvénient de présenter des variations importantes de la puissance lumineuse émise en réponse a une variation faible du courant par rapport à la valeur de seuil Or, cette valeur de seuil présente des variations notables qui sont soit réversibles, en fonction de la température notamment, soit irréversibles, par suite notamment du vieillissement. Pour pallier les effets de ces variations, il est nécessaire d'assurer une régulation de la puissance lumi- neuse de sortie On connatt déjà des procédés de régulation de la puissance lumineuse émise par une diode laser fonc- tionnant en régime continu, suivant lesquels on compare un signal électrique représentatif de ladite puissance lumi- neuse à un signal électrique de référence correspondant à une puissance de consigne pour élaborer un signal d'erreur, et on modifie automatiquement les conditions de fonctionne- ment de la diode laser en fonction dudit signal. Habituellement, c'est le courant électrique d'alimen- tation de la diode laser qui est commandé par une boucle de contreréaction dont-la valeur d'entrée est constituée par l'écart entre la puissance lumineuse de sortie mesurée et une puissance de consigne. Il est fréquemment nécessaire d'ajouter, à cet asser- vissement, une régulation en température car les diodes laser actuelles doivent fonctionner à une température au plus peu -2- supérieure aux températures ambiantes habituelles Des tem- pératures élevées accélèrent en effet le vieillissement et - accroissent le risque de destruction, alors qu'au contraire un abaissement de la température lors du fonctionnement aug- mente la durée de vie Une autre raison qui rend fréquemment nécessaire une régulation en température est la nécessité d'évacuer la chaleur dégagée à la jonction de la diode laser. Cette régulation en température est généralement effectuée par refroidissement à l'aide d'un élément actif, tel qu'un élément à effet Peltier, commandé par une seconde boucle de contre-réaction dont le signal d'entrée est constitué par l'écart entre la température mesurée du laser et la température de consigne. Diverses raisons, qui seront exposées en détail plus loin, font que cette solution est peu satisfaisante En par- ticulier, cette double régulation nécessite un nombre de composants important et elle souffre d'un défaut dans son principe même: pour maintenir la puissance lumineuse émise, au cours du vieillissement, on est conduit à augmenter le courant d'alimentation, ce qui provoque une augmentation de l'échauffement et de la puissance consommée par l'élément à effet Peltier, d'o augmentation de la puissance consommée globale De plus, il est difficile de mesurer la température de la jonction de la diode laser, de sorte que la tempéra- ture mesurée est celle de l'embase de la diode, sur laquelle est fixée une thermistance La différence de température qui existe entre l'embase et la jonction va augmenter au fur et à mesure des augmentations du courant électrique au cours du vieillissement, de sorte que, à température de consigne donnée, la température de la jonction augmente, ce qui accélère encore le vieillis- sement. L'invention vise à fournir un procédé et un dispositif répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notam- ment par leur simplicité et le fait qu'ils éliminent les phénomènes de réaction positive mentionnés ci-dessus. Dans ce but, l'invention utilise le fait que le courant de seuil d'une diode laser augmente avec la tem- pérature suivant une loi qui est approximativement 25425-1 1 3 - exponentielle, et elle propose notamment un procédé du genre cidessus défini, caractérisé en ce qu'on commande le débit thermique extrait de la diode laser de façon à annuler le signal d'erreur tout en alimentant la diode laser à cou- rant électrique constant. L'invention propose également un dispositif de régula- tion permettant de mettre en oeuvre le procédé ci-dessus défini Ce dispositif comprend un photodétecteur disposé de façon à fournir un signal électrique représentatif de la puissance optique moyenne de la diode laser et un circuit associé au photodétecteur pour fournir un signal d'erreur représentatif de l'écart entre la puissance lumineuse et une puissance de consigne, ainsi qu'un circuit de commande des moyens de refroidissement du laser Il se caractérise notamment en ce que le circuit de commande est monté de façon à recevoir le signal d'erreur et à commander le refroidissement dans un sens tendant à annuler le signal d'erreur et en ce que ledit circuit d'alimentation est à courant constant. Un tel dispositif, extrêmement simple, donne des résultats entièrement satisfaisants lorsque l'environnement de la diode laser ne présente pas d'à-coups thermiques brutaux, ce qui est par exemple le cas dans un répéteur de câbles sous-marins Lorsque l'environnement est susceptible au contraire de présenter des variations de température de rapidité incompatible avec la constante de temps importante du dispositif tel que défini plus haut, constante de temps fixée notamment par l'inertie thermique des éléments, le dispositif est avantageusement complété par adjonction d'une branche d'asservissement agissant sur le courant d'alimentation de la-diode laser Mais il est essentiel de garder en mémoire que cette branche n'a qu'un rôle accessoire et n'intervient que de façon transitoire, pendant le délai nécessaire pour que la régulation thermique ait compensé l'effet de la variation de température ou en-cas de défail- lance du dispositif principal. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit-de modes particuliers de réalisation 254251 1 donnés à titre d'exemples, et de la comparaison qui en est faite avec l'art antérieur La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: la Figure 1 est un schéma montrant un dispositif classique de régulation de la puissance lumineuse d'une diode-laser la Figure 2 montre la variation de la puissance optique P d'une diode laser en fonction du courant I, pour deux températures Tl et T 2, T 2 étant supérieure à Tl; la Figure 3, similaire à la Figure-1, montre un dispositif qui constitue un mode particulièrement simple de mise en oeuvre de l'invention, les Figures 4 et 5 sont des courbes montrant, en fonction du temps t, l'écart AT-entre la température du laser et sa température initiale et l'écart AI entre la consommation totale de courant et la consommation initiale, pour le dispositif classique montré en Figure l (courbe en tirets) et pour le dispositif de la Figure 3 (courbe en trait plein); les Figures 6 et 7 montrent la variation de la puis- sance optique de sortie du laser en fonction du courant, respectivement dans le cas o la pente de la caractéristique de la diode laser n'est pas constante et dans le cas o - cette caractéristique présente des non-linéarités violentes; la Figure 8, similaire aux Figures 1 et 3, montre un dispositif qui constitue un autre mode de réalisation de l'invention, qui se différencie de celui de la Figure 3 en ce qu'il comporte un asservissement supplémentaire de sécurisation, la Figure 9 montre la fonction de transfert v s(ve) du quadripôle du dispositif de la Figure 8; les Figures 10 sont des courbes destinées à faire apparaître la fonction de l'asservissement de sécurisation de la Figure 8 lors d'une variation rapide de la température extérieure; les Figures 11 font apparaître l'intervention de l'asservissement de sécurisation en cas de défaillance du dispositif de régulation principal; les Figures 12 et 13 sont des schémas de détail montrant des variantes de la Figure 8. Avant de décrire l'invention, on rappellera briève- ment la constitution type des dispositifs classiques de -5- régulation de la puissance lunineuse d'une diode laser par variation de courant. Le dispositif de ce type montré en Figure 1 est destiné à maintenir à une valeur constante la puissance lumineuse émise par une diode laser Pour cela, le dispositif comprend une boucle de contre-réaction 4 qui comprend une photodiode 6 fournissant un signal électrique proportionnel à la puis- sance lumineuse émise par le laser Pour cela, la photodiode 6 peut être placée par exemple de façon à recueillir la lumière qui sort par la face arrière de la diode laser Le signal électrique provenant de la diode 6 est appliqué à l'une des entrées d'un comparateur 8 dont l'autre entrée reçoit une tension de référence Vr représentant la puissance lumineuse de consigne Le signal d'erreur est ainsi propor- tionnel à la différence entre la puissance effectivement émise et la puissance de consigne Un amplificateur 10 porte ce signal à un niveau convenable pour commander une source de courant 12, afin d'ajuster le courant injecté dans la diode laser par l'intermédiaire d'une résistance 13. Comme on l'a indiqué plus haut, les dispositifs connus comportent fréquemment une boucle de régulation en tempé- rature L'élément d'entrée de la boucle de régulation en température 14 montrée en Figure 1 est constitué par un élément 16 sensible à la température, tel qu'une thermistance dont la résistance est une fonction bi-univoque de la tempé- rature Cette thermistance est souvent fixée sur l'embase du laser, et non pas sur la diode laser elle-même, du fait de la fragilité et des petites dimensions de cette dernière Le signal de sortie de l'élément 16 attaque, par l'intermédiaire d'un dispositif comparateur 18, qui fournit un signal d'er- reur lié à la différence entre la température mesurée et la température de consigne, un amplificateur 20 de gain et de constante'de temps appropriés Le signal d'erreur amplifié commande un élément refroidisseur 22 destiné à ramener la température à une valeur aussi proche que possible de la température de consigne, notamment lorsque la température extérieure ou la chaleur dégagée par le laser varie Le dispositif 18 peut par exemple être constitué par un pont de Wheatstone et un comparateur 21. 6 - La température de consigne, qui peut être ajustable par action sur un des éléments du pont de Wheatstone, peut être soit proche des températures ambiantes rencontrées habituellement en fonctionnement, soit notablement plus basse. Grâce à cette disposition, on peut compenser la varia- tion importante du courant de seuil Ith provoquée par les variations de température de la diode laser, comme le montre la Figure 2 Mais le dispositif classique de la Figure 1 présente de nombreux inconvénients Il comprend un nombre d'éléments élevé Et, surtout, la boucle de régulation en température souffre d'un défaut de principe fondamental La température asservie est celle de l'embase de la diode laser 2, dont la température présente, avec celle de la diode laser, une différence qui est de l'ordre de 25 à 401 C/W dans les meilleurs cas La température du laser excède donc toujours la température de consigne d'une quantité qui, initialement de quelques degrés, va se trouver modifiée du fait d'un phéno- mène de réaction positive au cours du vieillissement Lorsque le courant que fait passer la source 12 dans la diode laser augmente,du fait du vieillissement de cette dernière, les dégagements de chaleur augmentent et entraînent une augmenta- tion de température qui accélère encore le vieillissement. L'élément refroidisseur, généralement constitué par un élé- ment Pe Itier, a plus de chaleur à évacuer et consomme davan- tage de courant, ce qui accroît encore la dérive de la température du laser et de la consommation générale Cet effet d'emballement, à long terme, risque de réduire la durée de vie de la diode laser, notamment pour celles qui sont particulièrement sensibles à la température, comme les récentes diodes laser à grande longueur d'onde - Le dispositif conforme à l'invention montré en Figure 3 permet de remédier à ce défaut, notamment du fait qu'il uti- lise une information d'entrée liée à la température ré,elle du laser et évite tout phénomène de contre-réaction positive. Le dispositif montré en Figure 3, o les éléments corres- pondant à ceux de la Figure 1 portent le même numéro de référence, ne comprend qu'une seule boucle d'asservissement 24 Cette boucle utilise, comme-élément d'entrée, un capteur 7 - sensible au flux lumineux émis par la diode laser 2, par exemple une photodiode 6 Le signal émis par la photodiode, représentatif de la puissance optique, est appliqué à un comparateur 8 qui reçoit également un signal de référence Vr représentant la puissance optique de consigne Mais le signal de sortie du comparateur'n'est plus utilisé pour commander le courant, comme dans le cas de la Figure-1, mais est utilisé pour commander la température de la diode laser. Pour cela, le signal d'erreur provenant du comparateur 8 est appliqué, par l'intermédiaire d'une chaîne amplifica- trice 26, de gain et de constante de temps déterminés en fonction des caractéristiques recherchées, à l'élément refroidisseur 22 La diode laser 2 est alimentée par la source 12 qui, dans le mode de réalisation simple de la Figure 3, fournit un courant 1 constant. Le dispositif montré en Figure 3 fonctionne de la façon suivante, lorsque la puissance lumineuse émise par la diode laser 2 diminue, du fait soit d'une augmentation de la température extérieure, soit du vieillissement du laser. Un signal d'erreur apparaît à l'entrée de la chaîne amplificatrice 26 Il provoque la commande de l'élément refroidisseur 22 dans un sens qui tend à abaisser la tempé- rature de la diode laser 2-jusqu'à ce que la puissance lumineuse émise soit égale à la puissance de consigne, déter- minée par la tension de référence Vr' En effet, à un moment donné de la vie du laser et pour un courant I donné, il y a une correspondance biunivoque entre la puissance lumi- neuse et la température. En d'autres termes, l'intensité du refroidissement est commandée par un paramètre représentatif de la-tempé- rature réelle du laser, et non pas de son embase,et elle assure la constance de la puissance optique nécessaire au bon fonctionnement du système à l'aide d'une boucle de contre-réaction unique Au cours de la vie du laser, la température de ce dernier diminue lentement, ce qui ralentit le processus de vieillissement et augmente la durée-de vie. La dérive de température va dans un sens favorable et se 8- ralentit ellemême, alors que dans le cas du système classique de-la Figure 1, on a une dérive qui s'accélère d'elle-même. Les avantages du dispositif montré en Figure 1 apparaissent immédiatement f la stabilisation de la puis- sance optique, l'évacuation de la chaleur dégagée par le laser, la stabilisation à court terme de température sont assurées par une boucle unique, avec un nombre d'éléments constitutifs presque deux fois moindre que dans un dispo- sitif classique De plus, la suppression de la-thermistance 16 prévue dans le dispositif de la Figure 1 autorise une conception simplifiée. L'effet de réaction positive présenté par le disposi- tif de la Figure 1 disparaît et il faut noter au passage que la dérive AT de température-en fonction du temps dans le cas d'un dispositif suivant la Figure 3 (courbe en trait plein sur la Figure 4), si elle est initialement plus rapide qu'avec le dispositif classique de la Figure 1 (courbe en tirets),se ralentit et devient plus lente à long terme Le fait que la diode laser est alimentée par une source de courant constant simplifie la conception et dimi- nue la consommation globale des courants à long terme: si en effet la consommation de l'élément refroidisseur à effet Peltier 22 augmente d'abord plus vite dans le cas du dispositif suivant l'invention (Figure 5) , cette augmentation se ralentit ensuite, de sorte qu'au bout de peu de temps, l'augmentation globale AI de consommation devient moins élevée que dans le cas du dispositif classique. De plus, le dispositif suivant l'invention permet d'atténuer, sans adjonction d'éléments supplémentaires, l'effet de caractéristiques particulières de certains types de diodes laser. En particulier, la-pente de la caractéristique (puissance optique en fonction de l'intensité du courant) diminue pour certains lasers à semiconducteurs lorsque la température augmente ou lorsque le composant vieillit, comme le montre la Figure 6 o les courbes T 0, T 1 et T 2 correspondent à des températures progressivement croissantes -9- ou à des vieillissements progressivement plus accentués. Dans un dispositif classique, il faut ajouter une boucle supplémentaire d'asservissement, dite "dynamique", agissant sur l'amplitude de modulation du signal électrique destiné à maintenir constante l'amplitude de modulation du signal optique Or, dans de nombreux cas, une diminution de la température compense l'effet du vieillissement sur la pente de la caractéristique, comme elle le fait sur le courant de seuil 'th' ce qui peut permettre d'éviter l'adjonction d'une boucle d'asservissement dynamique. Dans d'autres cas, la diode à semiconducteur a une caractéristique P (I) qui présente de violentes non-linéarités, couramment désignées par le terme anglo-saxon de "kinks", comme le montre la Figure 7; elles apparaissent généralement pour un courant donné Ik Le dispositif de la Figure 3,. fonctionnant à courant constant, permet de travailler dans une zone o n'apparaissent pas de telles non-linéarités. Le dispositif simple représenté en Figure 3 a un temps de réponse relativement long, pouvant atteindre plusieurs secondes, du fait de l'inertie thermique des pièces Cette propriété est sans inconvénient dans la plupart des appli- cations en télécommunications, o les variations de tempé- rature externe sont lentes Mais, lorsque la diode laser est susceptible d'être exposée à des variations brutales de la température externe ou lorsqu'on veut maintenir appro- ximativement la puissance optique en cas de défaillance de la boucle 24 pendant le temps nécessaire à une intervention, on peut adopter le dispositif montré en Figure 8 Ce dispo- sitif comprend, en plus des éléments déjà montrés en Figure 3, une branche supplémentaire 30 que l'on peut qualifier de branche de "sécurisation" La branche 30 agit sur la source 32 alimentant la diode laser pour régler le courant- I fourni La branche 30 utilise, comme signal d'entrée, la tension AV au point 34, à la sortie du comparateur 8. Cette tension AV est une fonction croissante de la diffé- rence entre la puissance effective P émise et la puissance de consigne et elle s'annule avec elle La branche 30 est prévue pour commander la source 32 de façon à modifier le 254251 1 - courant I uniquement lorsque la valeur absolue I Vi de AV dépasse un seuil prédéterminé V O V c'est-à-dire lorsque IAP P dépasse un seuil OPO déterminé. La branche 30 n'intervient donc qu'en cas de tran- sitoire rapideou de venue en butée de la régulation assurée par la boucle 24 à cause de conditions de température extrêmes, ou enfin en cas de défaillance de l'élément re- froidisseur 22 ou des circuits qui-le commandent En régime normal permanent, la Pl est inférieure à A PO et la chaîne d'asservissement 30 ne fonctionne pas la diode laser est alimentée, comme dans le cas de la Figure 3, à courant I constant. Pour réaliser cette action conditionnelle, la branche de sécurisation 30 peut par exemple comporter un quadripôle 36 dans lequel le seuil est obtenu par un pont de diodes semiconductrices 38, montées tête-bêche, ayant une tension de seuil V O L'une des bornes du pont 38 est reliée à l'entrée du quadripôle par une résistance R 1 L'autre borne est reliée à l'entrée inverseuse d'un amplificateur opéra- tionnel 40 dont l'entrée non-inverseuse est reliée à la masse. De cette façon, un courant n'est appliqué à l'ampli- ficateur opérationnel 40 que si la valeur absolue Ive ede la tension d'entrée est supérieure à V 0. Une résistance de contre-réaction R 2 est placée entre l'entrée inverseuse et la sortie de l'amplificateur opéra- tionnel 40, qui constitue également la sortie du quadripôle. La fonction de transfert VS (ve) du-quadripôle 36 est du genre montré en figure 9, o on voit apparaître l'effet de seuil La pente des parties de la caractéristique correspondant à l'intervention du quadripôle est fixée par R 2/R 1. La branche de sécurisation 30 tend à ramener v à une valeur nulle Elle ramène la puissance optique P non pas à la valeur de consigne P 0, mais à une valeur PO + à P, suivant le sens de dépassement du seuil Le rapport AP/PQ peut être fixé à volonté: en effet, il correspond à Vo/G Vr, G étant le gain d'un amplificateur à courant conti- 254251 1 il - nu 42 place en amont du quadripôle 36 On peut ainsi donner à AP une valeur faible par rapport à P O Cette réduction de AP n'est d'ailleurs pas forcément nécessaire, lorsqu'on cherche uniquement à absorber les régimes transitoires En effet, l'asservissement principal continue à agir, avec une constante de temps longue, du fait du signal d'erreur lié à AP et qui n'est donc pas nul Par action sur la tempé- rature, la boucle 24 d'asservissement principale ramène progressivement la puissance optique P à la valeur de con- signe PO, mettant fin à l'action de la branche d'asservis- sement de sécurisation 36. Les Figures IQA à 10 E montrent la différence de réponse entre le dispositif de la Figure 3 et celui de la Figure 8 en cas de variation rapide de la température extérieure e, qui passe de el à e 1 + Ae dans un inter- valle de temps bref t 2-t 1 (Figure 10 A) La variation de la température T du laser va alors, dans les deux cas, avoir l'allure montrée en Figure l OB, la baisse de tempéra- ture étant lente du fait de la constante de temps thermique. Dans le-cas du dispositif simple de la Figure 3, il peut y avoir interruption momentanée de l'émission pendant un intervalle de temps 43 (Figure 10 C) Dans le cas d'un dis- positif comprenant une branche de sécurisation, cette dernière intervient dès que la puissance optique est tombée à la valeur Po *,P pour la maintenir à cette dernière valeur (Figure 10 D) La branche 30 intervient donc de l'instant t 3 jusqu'à l'instant t 4 o la régulation de tem- pérature a permis de ramener la puissance optique au-dessus de P AP Le courant I fourni à la diode ne s'écarte de la valeur de consigne I O que pendant l'intervalle de temps allant de t 3 à t 4 (Figure 10 E). Dans le cas d'une panne du système de refroidissement, la branche de sécurisation 30 intervient pour empêcher la puissance optique du laser de descendre au-dessous de la valeur PO j P, comme indiqué sur les Figures 11 A à 11 D. La Figure 11 A montre l'augmentation progressive dle la température à partir de l'instant t, de la panne En l'absence de sécurisation, la puissance optique P va s'annu- 12- ler rapidement (Figure 118) Au contraire, dans le cas o est prévue la branche de sécurisation 30, cette dernière stabilise la puissance optique à-la valeur P O P (Figure 11 C), ce qui maintient la transmission par modification du courant I qui traverse le laser, en attendant une intervention (Figure 11 D) Des moyens peuvent être prévus pour déceler la présence permanente d'un signal d'erreur non nul au point 34 et déclencher une alarme. L'invention est susceptible de nombreuses autres variantes encore de réalisation En particulier, la branche de sécurisation peut être réalisée de façon différente de celle illustrée, de façon à maintenir la séparation entre le régime permanent, pendant lequel seule fonctionne la boucle d'asservissement principale, du régime transitoire, pendant lequel la branche de sécurisation intervient en secours. A titre d'exemples, les Figures 12 et 13 montrent des circuits 36 a et 36 b pouvant être utilisés en remplace- ment du quadripôle 36 de la Figure 8 Au lieu de réaliser une fonction de transfert non linéaire, les circuits 36 a et 36 b comportent un filtre passe-haut 44 destiné à isoler les composantes transitoires du signal d'erreur prélevé en 34 (Figure 8) Dans le cas montré en Figure 13, une diode à seuil 46 est placée en parallèle avec le filtre 44 pour prendre le relais de l'asservissement principal en cas de défaillance de l'élément refroidisseur. 13 - REVENDICATIONS 1 Procédé de régulation de la puissance lumineuse émise par une diode laser fonctionnant en régime continu, suivant lequel on compare un signal électrique représentatif de ladite puissance lumineuse à un signal électrique de référence correspondant à une puissance de consigne pour élaborer un signal d'erreur, et on modifie automatiquement les conditions de fonctionnement de la diode laser en fonc- tion dudit signal, caractérisé en ce qu'on commande le débit thermique extrait de la diode laser de façon à annuler le signal d'erreur tout en alimentant la diode laser à courant électrique constant. 2 Dispositif de régulation de la puissance lumi- neuse émise par une diode laser associée à un circuit -d'alimentation électrique, comprenant un photodétecteur ( 6) disposé de façon à fournir un signal électrique représentatif de la puissance optique moyenne de la diode laser et un cir- cuit associé au photodétecteur pour fournir un signal d'erreur représentatif de l'écart entre la puissance lumi- neuse et une puissance de consigne, ainsi qu'un circuit de commande de moyens de refroidissement du laser, caractérisé en ce que ledit circuit de commande est monté de façon à recevoir le signal d'erreur et à commander le refroidisse- ment dans un sens tendant à annuler le signal d'erreur et en ce que ledit circuit d'alimentation ( 12, 32) est à courant constant en régime permanent. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend, de plus, une branche d'asservisse- ment ( 30) commandant le circuit d'alimentation ( 32) lorsque la différence entre la puissance lumineuse fournie par la diode laser ( 2) et-la puissance de consigne dépasse un seuil prédéterminé. 4 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend, de plus, une branche d'asservisse- ment ( 30) commandant le circuit d'alimentation ( 32) en réponse aux variations rapides de la puissance optique de sortie du laser. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, 14 - caractérisé en ce que ladite branche d'asservissement com- porte une entrée reliée a la sortie du circuit ( 8) associé au photodétecteur et comprend un amplificateur opérationnel précédé d'un élément à seuil ( 38) et/ou d'un filtre passe-haut ( 44). I.