DE3638012A1

DE3638012A1 - Treiber fuer einen halbleiterlaser

Info

Publication number: DE3638012A1
Application number: DE19863638012
Authority: DE
Inventors: Stefano Bottacchi; Mauro Oselladore
Original assignee: GTE Telecommunicazioni SpA
Current assignee: Siemens Telecomunicazioni SpA
Priority date: 1985-12-10
Filing date: 1986-11-07
Publication date: 1987-06-11
Also published as: GB2183896B; IT1186424B; ZA869287B; US4799224A; GB8625428D0; BE905880A; IT8523160A0; GB2183896A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der faseroptischen Übertragungsanlagen und insbesondere auf einen Treiber für einen Halbleiterlaser, der einen Laser, einen Gleichstromgenerator und eine Stromänderungseinrichtung aufweist.

Es ist die Tatsache bekannt, daß optische Kommunikationssysteme elektrooptische Übertragungs- und Empfangsmodule aufweisen, die direkt an die optischen Faserenden angeschlossen werden, die in der Praxis die korrekte Übertragung von Information und die globale Tätigkeit des Systemes bestimmen.

Es ist ebenfalls bekannt, daß ein faseroptisches Übertragungsmodul im wesentlichen aus einem Laser, einem Modulationkreis, der das elektrische Signal, das an den Laser geht, moduliert, einem thermischen Stabilisationskreis und einem automatischen Steuerkreis, der die von dem Laser emittierte Leitung steuert, besteht.

Es ist weiterhin bekannt, daß Halbleiterlaser im wesentlichen aus einem P-N-Übergang bestehen, dessen "Anregungsstrom- Leistungsemission"-Kennlinie ähnlich der "Spannungs-Strom"- Kennlinie einer Halbleiterdiode ist, wobei der P-N-Übergang mit einem gewissen Strom I ₁ versehen werden muß, damit eine gewisse abgestrahlte Leistung P _L erreicht wird. Dieser Strom I _L ist zusammengesetzt aus einem Grundstrom I _P, der den P-N- Übergang dazu bringt, in der Nähe seines Schwellwertes zu arbeiten und bereit zu sein, kohärentes Licht entsprechend der Lasercharakteristik zu emittieren, und aus einem Modulationsstrom I _M, der das kohärente Laserlicht entsprechend der zu übertragenden Information moduliert.

Es ist weiterhin bekannt, daß Temperatur und Alter die Laserkennlinie beeinflussen, so daß in dem gleichen Laserbetrieb das Knie der Kennlinie verschoben werden kann und die Steigung sich ändern kann. Es ist ersichtlich, daß selbst bei der Gegenwart solcher Veränderungen der Laser immer die gleiche Leistung P _L emittieren muß, und es ist daher absolut notwendig, daß der Grundstrom I _P variiert werden kann, damit die Emissionsschwellwertvariationen ausgeglichen werden können, und daß der Modulationsstrom I _M geregelt werden kann, damit Verluste in der Emissionsausbeute ausgeglichen werden können.

Es ist schließlich bekannt, daß ein sehr wichtiger Faktor bei der Beurteilung eines Übertragungsmodules seine Schaltrate ist, die in der Praxis die Übertragungskapazität bestimmt und damit das Feld der Anwendung des gesamten optischen Kommunikationssystemes.

In einer ersten bekannten Lösung (siehe H. Kressels Buch "Semiconductor devices for optical communication", Seiten 230-232) wird der Laser durch zwei Stromgeneratoren gespeist, die mit verschiedenen Stufen ausgerüstet sind. Ein erster Generator, d. h. der Grundstromgenerator, versorgt den Laser mit einem konstanten Strom I _P, während ein zweiter Generator, d. h. der Modulationsstromgenerator, den gleichen Laser mit einem variablen Strom I _M versorgt. In den Zeitabschnitten, in denen der Laser keine Leistung abstrahlen muß, ist der einzige darin fließende Strom der Grundstrom I _P, während in den Zeitabschnitten, in denen der Laser Leistung abstrahlen muß, der darin fließende Strom ein Strom I _L ist, der aus der Summe des Grundstromes I _P plus dem Modulationsstrom I _M erzeugt wird.

Diese Möglichkeit erlaubt den Vorteil, daß die Regelung von sowohl dem Grundstrom I _P als auch dem Modulationsstrom I _M möglich ist, aber sie hat auch eine Anzahl von Nachteilen. Um damit anzufangen, sie benutzt eine große Anzahl von Transistoren, was hohe Herstellungskosten nach sich zieht. Weiterhin müssen Komponenten mit sehr schmalen Fertigungstoleranzen benutzt werden, damit sichergestellt ist, daß Differentialstufen mit befriedigenden Eigenschaften erzielt werden, da die zwei Transistoren, die das Differentialpaar bilden, theoretisch identisch sein müssen; dieses erhöht weiterhin die Herstellungskosten und Bauzeiten wegen der zusätzlichen Überprüfungen der Eigenschaften der Komponenten und der Auswahl der Komponenten, deren Merkmale so identisch wie möglich sein müssen. Weiterhin liegt die Injektionsausbeute, d. h. das Verhältnis zwischen dem durch den Laser gehenden Strom und dem durch den Modulator absorbierten Strom, im Bereich von höchstens 25 bis 50%, was bedeutende Verluste nach sich zieht. Schließlich sind die Ansprechzeiten ziemlich hoch, da beide Transistoren des Modulationsstromgenerators umschalten müssen, so daß, abgesehen von anderen Überlegungen, diese Lösung ziemlich kritisch werden kann für Bit-Raten von 500 Mbit/s und darüber.

Andere Lösungen wurden vorgeschlagen, damit höhere Bit-Raten erzielt werden könnten, zum Beispiel von 500 Mbit/s bis 1 Gbit/s. Eine von solchen Lösungen besteht darin, den Laser parallel mit einem Stromgenerator zu schalten, der einen Strom I _L erzeugt, der es dem Laser erlaubt, Leistung abzustrahlen, und mit einer Schalteinrichtung, die aus MESFET-Einrichtungen besteht (siehe Seite 184 des oben erwähnten Buches). Obwohl hohe Schaltraten erzielt werden können, ist diese Lösung praktisch unbrauchbar, da es unmöglich ist, den Laser mit Grundstrom zu versorgen, wenn man bedenkt, daß der Strom I _L entweder ganz in den Laser gehen wird, wenn der Schalter offen ist, oder er wird überhaupt nicht gehen, wenn der Schalter geschlossen ist; zusätzlich ist es unmöglich, den Wert des Stromes I _L in solcher Weise einzustellen, daß die gleiche laseremittierte Leistung P _L immer vorhanden ist.

Eine andere vorgeschlagene Lösung besteht in der Benutzung von ECL-Gattern (siehe den Artikel "Fiber optic transmitters and receivers" von M.J. Teare und L.W. Ulbricht, in der März- 1985-Ausgabe des GTE Laboratories Profile veröffentlicht). Auch diese Lösung bringt eine hohe Schaltrate, aber die Einstellung des Grundstromwertes I _P und des Modulationsstromwertes I _M ist so nicht möglich, daß die laser-emittierte Leistung P _L immer vorhanden ist.

Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, die obigen Nachteile zu beseitigen und einen Treiber für einen Halbleiterlaser vorzusehen, der eine hohe Schaltrate erlaubt und es ermöglicht, zur gleichen Zeit den Grundstromwert I _P und den Modulationsstromwert I _M einzustellen, insbesondere soll ein sehr einfacher Schaltkreis ermöglicht werden mit einer hohen Injektionsausbeute, der weiterhin keine besonderen Probleme hinsichtlich der Auswahl der Komponenten aufwirft.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Treiber für einen Halbleiterlaser mit einem Laser, einem Gleichstromgenerator und einer Stromänderungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromänderungseinrichtung nur ein Schaltelement beinhaltet.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 ein detailliertes Schaltdiagramm einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Treibers, und

Fig. 2 ein detailliertes Schaltdiagramm einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Treibers.

In Fig. 1 ist mit den Bezugszeichen 1 ein NPN-Transistor bezeichnet, dessen Kollektor mit einem Ende eines Widerstandes 2 und dessen Emitter mit einem Ende eines Widerstandes 3 verbunden ist. Eine variable Gleichspannung V _RB, deren Funktion später erklärt wird, wird an das andere Ende des Widerstandes 2 angelegt, während das andere Ende des Widerstandes 3 mit einer negativen Gleichspannungsquelle -V verbunden ist. Die Basis und der Kollektor von dem Transistor 1 sind miteinander und mit der Basis eines NPN-Transistors 4 verbunden. Der Emitter des Transistors 4 ist mit einem Ende eines Widerstandes 5 verbunden, dessen anderes Ende mit der Spannungsquelle -V verbunden ist, während der Kollektor des Transistors 4 mit der Kathode eines Lasers 6 und mit dem Kollektor eines PNP- Transistors 7 verbunden ist. Die Anode des Lasers 6 ist mit der Masse M des Schaltkreises verbunden, während der Emitter des Transistors 7 mit einem Ende eines Transistors 8 verbunden ist, dessen anderes Ende mit der Masse M verbunden ist. Die Basis des Transistors 7 ist mit einem Ende eines Widerstandes 9 verbunden, dessen anderes Ende mit der Spannungsquelle -V und mit einem Ende eines Widerstandes 10 verbunden ist, an dessen anderem Ende eine variable Gleichspannung V _RM angelegt ist, deren Funktion später erklärt werden wird. Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 9 und 10 ist ebenfalls mit einem Ende eines Kondensators 11 verbunden, dessen anderes Ende mit einem Ende eines Widerstandes 12 verbunden ist. Das andere Ende des Widerstandes 12 ist mit der Masse M des Schaltkreises verbunden, während ein Modulationssignal V _s an den Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator 11 und dem Widerstand 12 angelegt wird. Die NPN-Transistoren sind vom Philips-BFR96-Typ und die PNP-Transistoren sind vom Philips- BFT93-Typ.

Die Transistoren 1 und 4 sind nach einem asymmetrischen Spiegelstrommuster geschaltet und bilden einen Gleichstromgenerator 15. Die Widerstände 3 und 5 sind so ausgelegt, daß der Stromgenerator 15 einen Strom zur Verfügung stellt, dessen Intensität gleich der Summe des Grundstromes (bias current) I _P plus dem Modulationsstrom I _M des Lasers 6 ist. Das Modulationssignal V _s wird über den Entkopplungskondensator 11 an die Basis des Transistors 7 angelegt.Wenn der Transistor 7 in einer Sperrbedingung ist, bildet er einen offenen Schaltkreis und der Strom I _L = I _P + I _M fließt durch den Laser 6, und der Laser emittiert Leistung. Wenn der Transistor 7 in einer gesättigten Bedingung ist, bildet er einen Kurzschluß, und ein Teil des Stromes wird von dem Laser 6 weggenommen und in den Zweig, in dem der Transistor 7 angebracht ist, abgeleitet. Der Widerstand 8 ist so ausgelegt, daß der in diesem Zweig fließende Strom genau gleich dem Modulationsstrom I _M ist. Bei einer solchen Bedingung fließt der Modulationsstrom I _M durch den Zweig, der durch den Widerstand 8 und den Transistor 7 gebildet, wird und nur ein Strom, der gleich dem Grundstrom I _P ist, fließt durch den Laser 6, der nicht länger eine nennenswerte Leistung abstrahlt.

Die Widerstände 3 und 5 sind so ausgelegt, daß fast der gesamte von dem Stromgenerator 15 gezogene Strom durch den Zweig fließt, der durch den Transistor 4 und den Widerstand 5 gebildet wird, und der folglich durch den Laser 6 fließt, wodurch eine hohe Injektionsausbeute erzielt wird. Wenn insbesondere das Verhältnis zwischen dem Widerstand 3 und dem Widerstand 5 etwa 10 ist, wird die Injektionsausbeute 90% betragen.

Die variable Gleichspannung V _RB wird von einem nicht in der Figur abgebildeten automatischen Steuerschaltkreis als Funktion der Position des Knies der Kennlinie des Lasers 6 erzeugt. Sollte sich dieses Knie wegen Alterung oder wegen einer Temperaturschwankung verschieben, wird die Spannung V _RB entsprechend geändert und verursacht, daß die gesamte erzeugte Stromintensität so variiert, daß der Strom, der in dem Laser 6 fließt, immer ausreichend ist, damit der Laser oberhalb seines Emissionsschwellwertes arbeitet.

Die variable Gleichspannung V _RM wird durch einen nicht in der Figur gezeigten automatischen Steuerschaltkreis als Funktion der Steigung der Kennlinie des Lasers 6 erzeugt.Sollte sich diese Steigung ändern, weil der Laser 6 einen Emissionseffektivitätsverlust erleidet, oder aus anderen Gründen, wird sich die Spannung V _RM auch entsprechend ändern, und die Voreinstellung des Transistors 7 und damit die Intensität des Modulationsstromes I _M, der in diesem Zweig fließt, wird sich so ändern, daß die von dem Laser 6 emittierte Leistung immer konstant bleibt.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform, in der gleiche Komponenten, wie sie in Fig. 1 auftreten, auch mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden. Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten insofern, daß der PNP-Transistor 7 durch einen NPN-Transistor 13 ersetzt ist. Der Kollektor des Transistors 4 ist mit dem Kollektor des Transistors 13 verbunden, dessen Emitter mit einem Ende eines Widerstandes 14 verbunden ist, dessen anderes Ende mit der Spannungsquelle -V verbunden ist.

In dieser zweiten Ausführungsform sind die Widerstände 3 und 5 so ausgelegt, daß der von dem Stromgenerator 15 zur Verfügung gestellte Strom gleich dem Grundstrom I _P des Lasers 6 ist, während der Widerstand 14 so ausgelegt ist, daß der durch den Transistor 13 zur Verfügung gestellte Strom gleich dem Modulationsstrom I _M des Lasers 6 ist. Auch in dieser Ausführungsform ist das Verhältnis zwischen dem Widerstand 3 und dem Widerstand 5 etwa 10, so daß die Injektionsausbeute sich auf 90% beläuft. Das Modulationssignal V _s wird über den Entkopplungskondensator 11 an die Basis des Transistors 13 angelegt. Wenn der Transistor 13 in Sperrstellung ist, fließt durch ihn absolut kein Strom, und nur ein Strom I _L gleich dem Grundstrom I _P fließt durch den Laser 6, der damit keine nennenswerte Leistung emittiert. Wenn der Transistor 13 in einer Sättigung ist, fließt der Modulationsstrom I _M, der zu dem Grundstrom I _P addiert wird; der Strom, der in dem Laser 6 fließt, ist folglich ein Strom I _L = I _P + I _M, und der Laser 6 emittiert Leistung.

Auch in dieser zweiten Ausführungsform werden die variablen Gleichspannungen V _RB und V _RM zum Regeln des Grundstromes I _P und des Modulationsstromes I _M wie in der oben erklärten Weise benutzt. Zusätzlich erlaubt die zweite Ausführungsform die Möglichkeit, daß der Grundstrom I _P und der Modulationsstrom I _M vollkommen unabhängig voneinander geregelt werden.

In den beiden oben beschriebenen Ausführungsformen reicht das Schalten von nur einem Transistor, um den Übergang von der Bedingung der Leistungsabstrahlung in die Bedingung der Nichtabstrahlung von Leistung im Laser 6 zu erzielen, und aus diesen Gründen ist der Treiber besonders schnell. Aus Messungen im Labor wurden tatsächlich Schaltzeiten zwischen 3 × 10^-10 sec bis 5 × 10^-10 sec gesehen.

Der Widerstand 12 ist so ausgelegt, daß der Pegel des Modulationssignales V _s sich dem Pegel des Signales angleicht, der nötig ist, um den Transistor 7 oder den Transistor 13 zu steuern; während es die Aufgabe des Kondensators 11 ist, etwaige Gleichstromanteile zu unterbinden, die in dem Schaltkreis vorhanden sein können, der das Modulationssignal V _s erzeugt, wie es der Fall in Schaltkreisen sein kann, die mit einer ECL-Technik gebaut sind.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Treibers für einen Halbleiterlaser ergeben sich klar aus der obigen Beschreibung. Insbesondere sind die Hauptvorteile die hohe Schaltrate des Treibers, die Möglichkeit, den Grundstrom und den Modulationsstrom so einzustellen, daß Variationen in der Kennlinie des Lasers ausgeglichen werden können, die extreme Einfachheit des Kreises, der nur drei Transistoren benutzt, was eine deutliche Einsparung bei den Produktionskosten bewirkt, die Möglichkeit der Benutzung von Komponenten, die nicht besonders ausgewählt werden müssen, was weiter die Baukosten senkt.

Claims

1. Treiber für einen Halbleiterlaser mit einem Laser, einem Gleichstromgenerator und einer Stromänderungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromänderungseinrichtung (7, 8, 13, 14) nur ein Schaltelement (7, 13) einschließt.

2. Treiber für einen Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromänderungseinrichtung (7, 8, 13, 14) Schalteinrichtungen (7, 8) aufweist.

3. Treiber für einen Halbleiterlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtungen (7, 8) parallel zu dem Laser (6) geschaltet sind.

4. Treiber für einen Halbleiterlaser nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtungen (7, 8) einen ersten Transistor (7) aufweisen.

5. Treiber für einen Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstromgenerator (15) einen zweiten (1) und einen dritten (4) Transistor, die in einem asymmetrischen Stromspiegelmuster geschaltet sind, aufweist, und daß er einen ersten (3) und einen zweiten (5) Widerstand aufweist, die so ausgelegt sind, daß der Gleichstromgenerator (15) einen Strom (I _P + I _M) zur Verfügung stellt, der gleich dem Grundstrom (I _P) plus dem Modulationsstrom (I _M) des Lasers (6) ist.

6. Treiber für einen Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtungen (7, 8), wenn sie erregt werden, einen Teil (I _M) des Gleichstromes (I _P + I _M), der von dem Gleichstromgenerator (15) zur Verfügung gestellt wird, so abteilen, daß der Laser (6) in einen Zustand gesetzt wird, in dem er keine wesentliche Leistung abstrahlt.

7. Treiber für einen Halbleiterlaser nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtungen (7, 8) einen dritten Widerstand (8) aufweisen, der so ausgelegt ist, daß, selbst wenn die Schalteinrichtungen (7, 8) sich in aktivierten Zuständen befinden, ein Grundstrom (I _P) durch den Laser (6) fließt.

8. Treiber für einen Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (3) und zweite (5) Widerstand so ausgelegt sind, daß ihr Verhältnis eine Größenordnung beträgt.

9. Treiber für einen Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des zweiten Transistors (1) über einen vierten Widerstand (2) mit einer variablen Spannung (V _RB) versorgt wird, die das Einstellen des Wertes des Stromes (I _P + I _M) erlaubt, der von dem Gleichstromgenerator (15) zur Verfügung gestellt wird.

10. Treiber für einen Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des ersten Transistors (7) über einen Spannungsteiler, der aus einem fünften (9) und einem sechsten (10) Widerstand gebildet ist, versorgt wird mit einer variablen Spannung (V _RM), die das Einstellen des Wertes des Stromes (I _M) erlaubt, der von den Schaltereinrichtungen (7, 8) abgeteilt wird.

11. Treiber für einen Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromänderungseinrichtung (7, 8, 13, 14) eine Stromgeneratoreinrichtung (13, 14) aufweist.

12. Treiber für einen Halbleiterlaser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromgeneratoreinrichtung (13, 14) in Serie zu dem Laser (6) geschaltet ist.

13. Treiber für einen Halbleiterlaser nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromgeneratoreinrichtung (13, 14) einen vierten Transistor (13) aufweist.

14. Treiber für einen Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstromgenerator (15) einen zweiten (1) und einen dritten (4) Transistor aufweist, die nach einem asymmetrischen Stromspiegelmuster geschaltet sind, und daß er einen ersten (3) und einen zweiten (5) Widerstand aufweist, die so ausgelegt sind, daß der Gleichstromgenerator (15) einen Strom (I _P) zur Verfügung stellt, der gleich ist dem Grundstrom (I _P) des Lasers (6).

15. Treiber für einen Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromgeneratoreinrichtung (13, 14) einen siebenten Widerstand (14) aufweist, der so ausgelegt ist, daß, wenn er in einem aktiven Zustand ist, die Stromerzeugungseinrichtung (13, 14) einen Strom (I _M) zur Verfügung stellt, dessen Wert so ist, daß die Summe des Stromes (I _M) plus dem Gleichstrom (I _P), der von dem Stromgenerator (15) zur Verfügung gestellt wird, den Laser (6) in einen Zustand der Leistungsemission bringt.

16. Treiber für einen Halbleiterlaser nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (3) und zweite (5) Widerstand so ausgelegt sind, daß ihr Verhältnis eine Größenordnung ist.

17. Treiber für einen Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des zweiten Transistors (1) über einen vierten Widerstand (2) mit einer variablen Spannung (V _RB) versorgt wird, die die Einstellung des Wertes des Stromes (I _P) erlaubt, die von dem Stromgenerator (15) zur Verfügung gestellt wird.

18. Treiber für einen Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des vierten Transistors (13) über einen Spannungsteiler, der aus einem fünften (9) und einen sechsten (10) Widerstand gebildet ist, mit einer variablen Spannung (V _RM) versorgt wird, die die Einstellung des Wertes des Stromes (I _M) erlaubt, der durch die Stromgeneratoreinrichtung (13, 14) erzeugt wird.