DE10238044B4 - Sendeeinrichtung und Verwendung dieser Sendeeinrichtung zur Übertragung von elektrischen Datensignalen - Google Patents

Abstract

Sendeeinrichtung (TX) mit einem Vertical Cavity Surface Emitting Laser (LD), der elektrische Datensignale (ESDS) in optische Datensignale (OSDS) wandelt, dadurch gekennzeichnet, dass der Vertical Cavity Surface Emitting Laser (LD) direkt durcheinen Logik-Schaltkreis (LGS)angesteuert ist, dessen Ausgang dem Low Voltage Differential Signaling Standard (LVDS) entspricht.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Sendeeinrichtung mit einem Vertical Cavity Surface Emitting Laser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und deren Verwendung zur Übertragung von elektrischen Datensignalen.
• Elektrische Verbindungen zur Informationsübermittlung in oder zwischen Einrichtungen, Geräten oder Schaltschränken von Übertragungssystemen werden zunehmend durch optische Übertragungen ersetzt.
• Dabei weisen optische Verbindungen zwei wesentliche Nachteile auf. Zum einen der hohe Preis und zum anderen die hohe Verlustleistung, welche die Integrationsdichte optischer Baugruppen limitiert.
• Diese Nachteile werden durch den Einsatz von oberflächenemittierenden Lasern (engl. „Vertical Cavity Surface Emitting Lasers", abgekürzt VCSELs) reduziert. Gründe dafür liegen darin, dass diese Laser sehr kostengünstig hergestellt und in Gehäuse verpackt werden können.
• In DE 10160927A1 ist ein VCSEL-Lasertreiber mit offenem Steuerkreis und einer integrierten, digitalen Steuerung genannt. Eine digitale Steuerung ist in den Lasertreiber integriert und wird während des Betriebs des Treibers zum anfänglichen Programmieren und zum selektiven Einstellen von einem oder mehreren Treibersignalverlaufsparametern wie dem Vorspannungsstrom, dem Modulationsstrom, der negativen Spitzenwertbildungstiefe und -dauer verwendet.
• Gegenstand von US 2002/0067882A1 ist ein Crossbar-Schalter, der eine Vielzahl von Prozessor-Knoten enthält. In diesen befinden sich VCSEL-Laserdioden. Sie sind zusammen mit Photodioden auf einem CMOS-Schaltkreis (engl. "complementary metal oxid semiconductor", abgekürzt CMOS) aufgebracht. Der Chip mit dem Schaltkreis enthält neben einem Logik-Teil und einem analogen Empfängerteil auch die Lasertreiber. Der Logik-Teil enthält einen NOR-Schaltkreis, der notwendig ist, um die erste Stufe des Crossbar-Schalters zu bedienen. Der Ausgang des Logik-Teils ist mit den Laser-Treibern verbunden, welche die VCSEL-Laserdioden ansteuern.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sendeeinrichtung derart zu verbessern, dass sowohl der Kostenaufwand als auch die Verlustleistung vergleichsweise gering gehalten werden können.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale einer Sendeeinrichtung nach Anspruch 1 und durch die Merkmale einer Verwendung dieser Sendeeinrichtung gemäß Anspruch 7 gelöst.
• Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Verwendung von oberflächenemittierenden Lasern, die direkt durch einem Logikschaltkreis angesteuert werden, eine kostengünstige Möglichkeit für eine optische Datenübertragung gefunden wurde, die eine vergleichsweise niedrige Verlustleistung aufweist.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• In einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein gleichspannungsgekoppelter Empfänger verwendet. Dadurch sind auf der Sendeseite weitere Einsparungen möglich, beispielsweise entfällt ein Scrambler oder Codierer.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
• Dabei zeigt:
• 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung.
• 2 ein Blockschaltbild eines Teiles einer optischen Sendeeinrichtung.
• 3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Teiles einer optischen Sendeeinrichtung.
• 1 zeigt schematisch eine einen Laser LD aufweisende optische Sendeeinrichtung TX, der ein elektrisches Sendedatensignal ESDS an ihrem Eingang ETX zugeführt wird. In der Sendeeinrichtung TX wird das elektrische Sendedatensignal ESDS mittels des Lasers LD in ein optisches Sendedatensignal OSDS gewandelt und an dessen Ausgang ATX an einen Lichtwellenleiter LWL abgegeben. Dieser Lichtwellenleiter LWL überträgt das optische Sendedatensignal OSDS zu einem optischen Empfänger RX, dem es als optisches Empfangsdatensignal OEDS an seinem Eingang ERX zugeführt wird. Der optische Empfänger RX wandelt das optische Empfangsdatensignal OEDS, beispielsweise mit Hilfe einer Fotodiode FD, in ein elektrisches Empfangsdatensignal EEDS, welches an dessen Ausgang ARX abgegeben wird.
• Dabei ist der optische Empfänger RX beispielsweise als gleichspannungsgekoppelter Empfänger RX ausgeführt. Dies bedeutet, das lange Null- oder Einsfolgen mit einem dementsprechenden Gleichspannungsanteil ausgewertet werden können. Dadurch können sendeseitig Einrichtungen zur Vermeidung von Gleichanteilen, wie beispielsweise Scrambler oder Codierer, entfallen. Scrambler bzw. Codierer werden üblicherweise zur Vermeidung von langen Null- oder Einsfolgen während der Datenübertragung eingesetzt.
• Ein gleichspannungsgekoppelter Empfänger hat den Vorteil, dass sendeseitig ein Scrambler bzw. Codierer entfallen kann, was zu einer sendeseitigen Kostenreduzierung führt.
• Ebenso lassen sich mit dieser Kombination nichtparitätische Codes übertragen, d.h. Codes mit einer ungleichen Null- zu Einsverteilung.
• Ist der optische Empfänger nicht als gleichspannungsgekoppelter Empfänger ausgeführt, sollte das Datensignal sendeseitig mit einer Einrichtung zur Vermeidung langer Null- bzw. Einsfolgen, wie beispielsweise einem Scrambler oder Codierer, verändert werden, um Bitfehler durch lange Null- oder Einsfolgen beim Empfang zu vermeiden.
• Durch den nicht gleichspannungsgekoppelter Empfänger reduzieren sich die empfangsseitigen Kosten. Auf der Sendeseite erhöhen sich die Kosten durch den Aufwand für die Einrichtung zur Vermeidung von Gleichanteilen, wie Scrambler oder Codierer.
• Wird ein paritätischer Datencode verwendet, kann ein nicht gleichspannungsgekoppelter Empfänger eingesetzt werden, da die Anzahl der Nullen und Einsen im wesentlichen gleich ist. Ein Scrambler bzw. weiterer Codierer könnte dann entfallen.
• 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Teiles der optische Sendeeinrichtung RX. Dargestellt ist ein Logik-Schaltkreis LGS, der mit einem ersten Pol U1 und einem zweiten Pol U2 einer nicht dargestellten Versorgungsspannung verbunden ist.
• Der Logik-Schaltkreis LGS weist wenigstens einen Eingang E und wenigstens einen Ausgang A1 auf. Der Ausgang A1 des Lo gikschaltkreises LDS, im Beispiel ist ein invertierender Ausgang A1 dargestellt, ist einerseits mit einer Serienschaltung eines Widerstandes R1 und einer Laserdiode LD verbunden, wobei die Laserdiode LD mit einem Pol, im Beispiel mit dem ersten Pol U1, der Versorgungsspannung verbunden ist.
• Andererseits ist der Ausgang A1 mit einer Stromquelle I verbunden, die ihrerseits wiederum mit dem anderen Pol der Versorgungsspannung, im Beispiel mit dem zweiten Pol U2, verbunden ist.
• Die Laserdiode LD ist erfindungsgemäß als oberflächenemittierende Laserdiode bzw. Vertical Cavity Surface Emitting Laser, kurz VCSEL, ausgebildet. Sie wird direkt durch den Logik-Schaltkreis LGS angesteuert.
• Bei VCSEL Laserdioden liegt der Laserschwellenstrom bei etwa 1...2 mA. Das heißt, ab diesem Strom fängt die VCSEL Laserdiode zu "lasern" an, also Laserlicht abzugeben.
• Durch die Kopplung mit einer Stromquelle, die den Ruhestrom, auch Bias genannt, bzw. den Arbeitspunkt bestimmt, ergibt sich die Möglichkeit, die Laserdiode direkt mit einem Logik-Schaltkreis anzusteuern. Dabei wird beispielsweise der Arbeitspunkt bzw. Bias bei etwa 4 mA eingestellt. Dadurch ist mit etwa 4 mA Stromhub ein Aus- und Einschalten der Laserdiode möglich.
• Unter Verwendung von Logik-Schaltkreisen des Low Voltage Differential Signaling Standard, kurz LVDS, läßt sich dieser Stromhub von etwa 4 mA direkt mittels des Logik-Schaltkreises erreichen. Dabei ist der Pegel für Low üblicherweise bei etwa 1 V und für High bei etwa 1,4 V. Durch den Spannungsunterschied bzw. Spannungshub von 0,4 V bzw. 400 mV erreicht man bei einem Wirkwiderstand von 100 Ohm einen Stromhub von 4 mA. Dadurch kann man bei einem Arbeitspunkt von 4 mA mit einem Hub von 4 mA zwischen etwa 0 mA und 8 mA schalten, d.h. die Laserdiode entsprechend aussteuern. In der Praxis wird der Ruhestrom für den Zustand Low nie ganz 0 mA betragen, sondern bei etwa 1 mA bzw. entsprechend unter dem Laserschwellenstrom der Laserdiode liegen.
• Ebenso ist denkbar, auch im Low-Zustand etwas Laserlicht auszusenden und die Laserdiode zwischen einem ersten niedrigen und einem zweiten höheren ausgesendeten optischen Signalpegel umzuschalten. Dann liegt der Strom durch die Laserdiode LD für den Low-Pegel über der Laserschwelle, d.h. es wird auch im Low-Zustand Licht ausgesendet.
• Der Arbeitspunkt bzw. Stromhub ist dann entsprechend höher oder niedriger einzustellen. Beispielsweise liegt der Arbeitspunkt bei 5 mA und der Stromhub des Logikschaltkreises LGS bei 4 mA, d.h. beim Pegel "Low" fließen 1 mA durch die Laserdiode und beim Zustand "High" 9 mA. Wenn die Laserstromschwelle unter 1 mA liegt, wird hier im Zustand "Low" ein geringes optisches Signal ausgesendet.
• Entsprechend der Laserstromschwelle der Laserdiode und der Steilheit der Laserdiode, d.h. dem Verhältnis von Laserstrom zu ausgesendetem optischen Licht, erfolgt die Einstellung und Dimensionierung der Schaltung. Gegebenenfalls müssen Laserdioden mit einem passenden Laserschwellenstrom und einer passenden Steilheit zum erreichbaren Schaltpegel des Logikschaltkreises ausgewählt werden, damit beim High-Pegel genügend Licht ausgesendet wird.
• Ebenso ist gegebenenfalls eine Anpassung der Versorgungsspannungen von Laserdiode und Logik-Schaltkreis erforderlich, um die gewünschten Ströme und optischen Pegel zu erreichen.
• Bei üblichen Laserdioden liegt der Arbeitspunkt bzw. Bias bei etwa 20 mA, so dass der Logik-Schaltung ein Treiber bzw. Verstärker nachgeschaltet werden muss.
• Die direkte Ansteuerung der oberflächenemittierenden Laserdiode durch den Logik-Schaltkreis erweist sich als besonders vorteilhaft, da in der Sendeeinrichtung keine weiteren Treiber- bzw. Verstärkerschaltungen notwendig sind. Durch den geringen Bias von 4 mA reduziert sich die Verlustleistung der gesamten Schaltung, so dass ein kompakterer Aufbau möglich ist. Die Treiberschaltung einer konventionellen optischen Verbindung ist üblicherweise die hauptsächliche Quelle von Verlustleistung in der Sendeeinrichtung.
• Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch Verwendung von Complementary Metal Oxide Semiconductor Schaltkreisen, kurz CMOS-IC genannt. Diese Technology ist seit langem bekannt, verfahrenstechnisch gut beherrschbar und kostengünstig verfügbar. Zudem unterstützt sie den LVDS-Standard.
• In Zusammenhang mit den VCSEL-Lasern, die sehr kostengünstig produziert und in Gehäuse verpackt werden können, ergibt sich damit ein günstiger Aufbau einer optischen Sendeeinrichtung. VCSEL-Laser können in der Fertigung schon auf dem Wafer, d.h. vor dem Brechen des Wafers in einzelne Chips, getestet werden. Zum anderen ist aufgrund des kreisförmigen Strahlprofils des VCSEL-Laser eine einfache Einkopplung des emittierten Lichts in eine Faser bzw. einen Lichtwellenleiter möglich. Dadurch sind geringere Fertigungstoleranzen erforderlich.
• Damit ist ein integrierter Aufbau von CMOS-IC und VCSEL-Laser realisierbar, der durch die geringe Gesamtverlustleistung erleichtert wird.
• 3 zeigt eine Ausführungsform eines Teiles der optischen Sendeeinrichtung RX. Dargestellt ist ein Logik-Schaltkreis LGS, der mit einem ersten Pol U1 und einem zweiten Pol U2 einer nicht dargestellten Versorgungsspannung verbunden ist. Der Logik-Schaltkreis LGS weist im Beispiel wenigstens einen Eingang E und zwei Ausgänge A1 und A2 auf. Der Ausgang A1 ist der invertierende und der Ausgang A2 der nichtinvertierende Ausgang des Logik-Schaltkreises LGS.
• Der nichtinvertierende Ausgang A2 ist über einen Widerstand R2 mit einem Pol der Versorgungsspannung verbunden, im Beispiel mit dem zweiten Pol U2 der Versorgungsspannung. Der invertierende Ausgang A1 des Logikschaltkreises LDS ist zum einen mit einer Serienschaltung eines Widerstandes R1 und einer Laserdiode LD verbunden, wobei die Laserdiode LD mit einem Pol der Versorgungsspannung, im Beispiel mit dem ersten Pol U1, verbunden ist. Andererseits ist der Ausgang A1 mit einer Stromquelle I verbunden. Diese besteht aus einer Serienschaltung einer frequenzkompensierenden oder wellenwiderstandsanpassenden Komponente, im Beispiel einer Induktivität L, die mit dem Kollektor eines Transistors T verbunden ist, dessen Emitter mit einem temperaturabhängigen Widerstandes NTC verbunden ist, der andererseits mit dem anderen Pol der Versorgungsspannung, im Beispiel mit dem zweiten Pol U2, verbunden ist. Der temperaturabhängige Widerstand NTC muss dabei kein Einzelwiderstand sein, sondern kann weitere fest- oder einstellbare Widerstände umfassen. Im Beispiel ist eine Parallelschaltung eines temperaturabhängigen Widerstandes NTC mit einem festen Widerstand R3 gezeigt. Auch eine Serienschaltung oder eine Kombination ist denkbar. Die Basis des Transistors T ist mit dem Mittelpunkt eines Spannungsteilers, bestehend aus zwei Widerständen R4 und R5, verbunden. Die Widerstände R4 und R5 sind ihrerseits jeweils mit einem Pol der Versorgungsspannung verbunden. Im Beispiel R4 mit dem ersten Pol U1 der Versorgungsspannung und R5 mit dem zweiten Pol U2 der Versorgungsspannung.
• Durch den temperaturabhängigen Widerstand NTC wird der Arbeitspunkt der Laserdiode LD, ein VCSEL-Laser, nachgeregelt. Der Abgleich erfolgt beispielsweise dadurch, dass die ausgesendete Lichtleistung bei zwei unterschiedlichen Temperaturen gemessen wird und durch Veränderung der Widerstände R3 und R5 ein konstanter Arbeitspunkt bei beiden Temperaturen eingestellt wird.
• Die Stromquelle I oder die Serienschaltung aus Laserdiode LD und Widerstand R1 kann weiterhin frequenzgangkompensierende oder anpassungsverbessernde Mittel, wie Kapazitäten, Induktivitäten oder Widerstände enthalten. Im Beispiel ist eine Induktivität L dargestellt, die einen Signalabfluss und eine Fehlanpassung in Richtung Stromquelle verhindert.
• Im Beispiel wird der nichtinvertierende Ausgang A2 des Logik-Schaltkreises LGK über einen Widerstand R2, der als Abschlusswiderstand wirkt, nicht genutzt.

Claims (8)

1. Sendeeinrichtung (TX) mit einem Vertical Cavity Surface Emitting Laser (LD), der elektrische Datensignale (ESDS) in optische Datensignale (OSDS) wandelt, dadurch gekennzeichnet, dass der Vertical Cavity Surface Emitting Laser (LD) direkt durcheinen Logik-Schaltkreis (LGS)angesteuert ist, dessen Ausgang dem Low Voltage Differential Signaling Standard (LVDS) entspricht.
2. Sendeeinrichtung (TX) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgang (A1) des Logik-Schaltkreises (LGS) zum einen mit einer Reihenschaltung eines Widerstands (R1) und des Vertical Cavity Surface Emitting Laser (LD) verbunden ist, der andererseits mit einem ersten Pol einer Versorgungsspannung (U1) verbunden ist und dass der Ausgang (A1) des Logik-Schaltkreises (LGS) zum anderen mit einer Stromquelle (I) verbunden ist.
3. Sendeeinrichtung (TX) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (I) temperaturkompensiert ausgebildet ist.
4. Sendeeinrichtung (TX) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (I) frequenzgang- und/oder anpassungskompensierende Mittel aufweist.
5. Sendeeinrichtung (TX) nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (I) einen Transistor (T) aufweist, dessen Kollektor über eine Induktivität (L) mit dem Ausgang (A1) des Logik-Schaltkreises (LGS) verbunden ist, dessen Emitter über einen temperaturabhängigen Widerstands (NTC) mit einem zweiten Pol der Versorgungsspannung (U2) verbunden ist und dessen Basis mit einem Mittelabgriff eines Spannungsteilers verbunden ist, der aus zwei Teilwiderständen (R4, R5) besteht, die jeweils mit dem ersten (U1) und dem zweiten Pol (U2) der Versorgungsspannung verbunden sind.
6. Sendeeinrichtung (TX) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Logik-Schaltkreis als Complementary Metal Oxide Semiconductor Schaltkreis (CMOS) ausgebildet ist.
7. Verwendung einer Sendeeinrichtung (TX) zur Übertragung von elektrischen Datensignalen (ESDS) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, die das elektrische in ein optisches Datensignal (OSDS) wandelt, mit einem Lichtwellenleiter (LWL), der zum einen mit der optischen Sendeeinrichtung (TX) verbunden ist und zum anderen mit einem optischen Empfänger (RX), der das optische Datensignal (OSDS) in ein elektrisches Datensignal (EEDS) umwandelt und an seinem Ausgang (ARX) abgibt.
8. Verwendung nach Anspruch 7, beider der optische Empfänger (RX) als gleichspannungsgekoppelter Empfänger ausgeführt ist.