CN1519994A - 操作半导体激光器的驱动电路和方法 - Google Patents

Abstract

用于驱动半导体激光器、尤其是垂直腔面发射激光器的电路，包括：一个用于直接驱动半导体激光器的差分放大器。半导体激光器借助于差分放大器被差分地驱动，差分放大器的第一输出端直流耦合到半导体激光器的第一终端，并且差分放大器的第二输出端交流耦合到半导体激光器的第二终端。

Description

操作半导体激光器的驱动电路和方法

本发明基于优先申请EP03360020.6，其通过引用被包括在此。

技术领域

本发明涉及用于操作一个半导体激光器、特别是垂直腔面发射激光器(VCSEL)的驱动电路和方法。

背景技术

根据本发明的驱动电路尤其适于驱动各种类型的VCSEL、即具有不同特性的VCSEL。

VCSEL是相对于晶片表面垂直发光的半导体激光二极管。与其它半导体激光器相比它们具有许多优点。例如，可以有很高的调制速率、非常低的功耗、对于光耦合到光纤的高效率、以及光刻定义的几何图形。此外，VCSEL是便宜的。和DFB激光器相比，成本系数例如大约是100。然而，VCSEL具有有限的输出功率和明显的温度依赖性。VCSEL的应用领域例如是10Gbit以太网、局内(in-office)系统以及短链接领域的传输系统，比如城域网。具有850nm范围的激光波长的VCSEL已经为人所知相当长时间了。近来，具有1300nm激光波长的VCSEL也已经上市了。与DFB激光器相反，VCSEL直接被调制，而DFB激光器通常是在连续波模式下操作，并且其激光经由外部的下游调制器调制用于信息传输。

已知用于驱动具有850nm发射波长的VCSEL的电路是一个差分放大器。在这种情况下，VCSEL的一端分别接地或者连接到底盘，而VCSEL的另一端连接到差分放大器的输出。这种连接方案也被称为“单端”。借助于差分放大器利用直接调制操作VCSEL具有850nm发射波长的VCSEL具有大约1.8V的相对较高的阈值电压、大约3mA的阈值电流、和大约10mA的极限电流。它的差分电阻是约为60Ω的量级。为了避免失真，在驱动电路和VCSEL芯片之间的连接线通常与VCSEL的差分电阻相匹配。

近来开发的、具有1300nm发射波长的VCSEL具有1.3V的阈值电压，和约为120Ω量级的差分电阻。与具有120Ω阻抗的连接线相比，从技术和经济的观点来看，具有55-85Ω阻抗的连接线的使用不存在问题。以上描述的现有技术中的驱动电路具有这样的缺点，即一般情况下，它可用于具有高差分电阻的VCSEL。

发明内容

另一方面，本发明的目的是创建一种用于驱动一个半导体的电路和方法，其中利用这个半导体，以高差分电阻用直接调制驱动一个半导体激光器。

此外，本发明的目的是创建一种也可用于驱动具有低差分电阻的半导体激光器的电路和方法。

为了实现所述目的，本发明一方面提供用于驱动一个半导体激光器、尤其是垂直腔面发射激光器的电路，包括：一个用于直接驱动半导体激光器的差分放大器，其中将被连接到该电路的半导体激光器借助于差分放大器差分地驱动，差分放大器的第一输出端直流耦合到半导体激光器的第一终端，并且差分放大器的第二输出端交流耦合到半导体激光器的第二终端。本发明另一方面提供一种操作一个电路的方法，其中该电路与在规定事件的控制下使用的半导体激光器相匹配，

-其中首先借助于该电路测量半导体激光器的特性曲线数据，

-以测量的数据为基础确定和设置该电路的至少一个启动值，并且

-通过至少作为半导体激光器的期望特征量的函数改变该启动值，来确定和设置用于操作包括所述半导体激光器的电路的电路操作值。

本发明进一步的优点和改进会从说明书和附图中显露出来。

以上提及的特征和以下将说明的那些特征不仅在各自规定的组合中、而且在没有背离本发明的范围的其它组合中或者单独情况下都是可用的，这是不言而喻的。

附图说明

本发明是以附图中的示范性实施方式为基础给出的，并且以下参考附图对其进行解释。

图1显示了现有技术中的用于驱动一个半导体激光器的电路的框图；

图2显示了根据本发明、用于驱动一个半导体激光器的电路的第一

实施方式的框图；

图3显示了根据本发明、用于驱动一个半导体激光器的电路的第二

实施方式的框图；以及

图4显示了根据本发明、用于驱动一个半导体激光器的电路的第三

实施方式的框图。

具体实施方式

图1用框图显示了现有技术中的、用于直接调制一个半导体激光器、尤其是以半导体激光二极管形式的半导体激光器的驱动电路。参考符号1表示一个垂直腔面发射激光器(VCSEL)，其阴极分别接地或者连接到底盘，VCSEL经由阳极端子进行调制。现有技术中的电路是一个已知的差分放大器10，它为了直接调制的目的连接在VCSEL 1的上游。差分放大器10是一个平衡的直流电压放大器，具有两个输入端E1、E2以及两个输出端A1、A2。差分放大器包含两个电阻11、12、两个晶体管13、14、和一个布置在晶体管13、14的共射极线路中的恒流源15。差分放大器对于本领域技术人员来说通常是已知的，并且因此在此不必更详细地说明。由于它们的低温漂移，所以如果将要放大的不是电压差而是输入电压，那么最好还使用差分放大器。在这种情况下，两个输入端E1或者E2中的一个连接到底盘。在图1的电路中，输入端E1连接到底盘，而且VCSEL 1经由输入端E2和输出端A1驱动，输出端A1连接到VCSEL 1的阳极。输出端A2未连接。如图1所示，VCSEL 1单方面地经由一个终端、即阳极驱动，而阴极连接到底盘。这种连接方案也被称为“单端”。

图2显示了根据本发明、用于VCSEL 1的一个驱动器或者驱动电路的第一实施方式的框图，其中VCSEL 1被差分驱动。在图2中，与图1中相同的参考符号表示与图1中相同的元件。根据本发明的电路最好是被设计为一个集成电路(IC)或者集成电路的一部分。以下更详细地说明根据本发明的电路。

在图2中的、根据本发明的驱动电路同样包含一个差分放大器10，但是两个输入端E1和E2以及两个输出端A1和A2都被用来差分地驱动VCSEL 1。晶体管13、14被显示为双极型晶体管。对于本领域技术人员来说，显然也能够使用包含MOSFET晶体管的差分放大器。输出端A1连接到VCSEL 1的阳极1a，并且输出端A2经由电容器16连接到VCSEL 1的阴极1b。另外，在电容器16和VCSEL 1的阴极1b之间，线圈17和电阻18串联接地作为一个直流通路。VCSEL 1被差分地驱动，即以这样一种方式指定电阻11、12和电流源15，其中跨过VCSEL 1降低大约1.5V的电压差，并且经由输入端E1和E2施加调制频率。VCSEL 1的阴极经由电容器16交流耦合(AC耦合)到差分放大器10的输出端A2。包含差分放大器10的输出端A1、以及VCSEL1的阳极1a和阴极1b的电路分支经由线圈17和电阻18直流耦合(DC耦合)。经由这个分支施加用于驱动VCSEL 1的偏压。VCSEL 1经由阻抗匹配的终端线路26和27连接到驱动电路。

根据本发明的驱动电路尤其有利于驱动具有高差分电阻的VCSEL。

实际上已经被使用相当长时间、并且具有850nm发射波长的VCSEL具有大约1.8V的相对较高的阈值电压、大约3mA的阈值电流、和大约10mA的极限电流。它们的差分电阻是约为60Ω的量级。由于VCSEL的显著温度依赖性，所以努力按一空间间隔布置包含驱动电路的集成电路和包含VCSEL的芯片。间隔通常是在厘米范围。为了避免失真，通常以这样一种方式设计驱动电路到VCSEL芯片的连接线路以便终止特性波阻抗，即，使它与VCSEL的差分电阻相匹配。具有55到85Ω的阻抗的连接线路是可实现的，并且从经济的观点来看可以以合理的成本得到。

近来开发的并且具有1300nm发射波长的VCSEL具有1.3V的阈值电压，和约为120Ω量级的差分电阻。具有120Ω阻抗的连接线路的生产和处理在技术上是昂贵的，并且因此是不便宜的。

由于根据本发明的具有差分驱动的驱动电路，所以，即使是对于具有高差分电阻的VCSEL来说，也可以容易地终止驱动/连接线路的特性波阻抗。由于两个连接线路，所以在这种情况下，由于差分驱动，还可以实现利用简单技术装置进行的终止，即，能够使用具有50到85Ω范围的线路阻抗的可用线路。

在图2中的根据本发明的电路另外具有这样的优点，由于所选择的电路布置-即用于连接VCSEL的直流耦合的分支和交流耦合分支，这样地设置还被描述为偏压T的电容器16、线圈17和电阻18的尺寸，以便它们能够被集成到包含驱动电路的IC中。就数量级而言，电容器16具有2pF的值，线圈17具有4.7nH的值，电阻具有50Ω的值。对于电路的生产和操作，这是明显的优点。根据本发明的电路因此具有的这样的优点，即仅仅在高频率范围中差分地操作VCSEL，而VCSEL在直流范围中被“准单端”驱动以施加偏压。

此外，根据本发明的电路具有这样的优点，即它还可用于具有相当低的差分电阻的已知VCSEL。

换句话说：该电路不仅适于驱动具有相当高的差分电阻的VCSEL、即例如先前描述的具有1300nm发射波长和大约120Ω差分电阻的VCSEL，而且还能够容易地用于已相当长时间知道并具有850nm发射波长和具有相当低的大约60Ω电阻的VCSEL。为了驱动850nm的VCSEL，仅仅向一个输入端、即E1或者E2，施加恒定电势，并且VCSEL的阴极不经由电容器16连接到输出端A2，而是仅仅连接到底盘，由此实现VCSEL的“单端”驱动。

图3显示了在图2中的根据本发明的电路的一个有利改进。为了平衡的原因，在输出端A2和电容器16之间，线圈19和两个二极管20、21经由电阻22串联接地。这实现了工作点在两边相同的结果，由此避免了失真。

图4显示了在图3中的根据本发明的驱动电路的进一步的有利改进。晶体管23连接在晶体管13和14的集电极分支中的并联连接的电阻11和12的上游。此外，更多的晶体管24和25与每个电阻11和12并联连接。如图4所示的晶体管23、24和25是MOSFET晶体管。如果向晶体管23、24和25的栅极施加了适当的电压，则如图所示的电阻的连接方案有利地使差分放大器10的工作点的可变设置成为可能。

如此设计的根据本发明的驱动电路尤其适于自动设置或者调整各VCSEL 1的驱动电路。所述调整可以仅就改变的系数进行，并且例如对于包含以不同波长发射激光的VCSEL的电路的使用是可取的。这种连接中，特性或者特性曲线明显互不相同，所以在这种情况下要求重要的匹配。然而，也可以在“单端”操作方式或者差分操作方式或者“双端”操作方式下电路的使用中执行调整。此外，电路的自动匹配/调整还可以被提供用于减小较不重要的偏差，例如如果使用了来自不同制造商的具有相同或者类似结构的VCSEL，或者用于补偿某个VCSEL的生产允许容差。最后，自动调整还可以用于匹配VCSEL操作期间的不同环境影响，例如温度影响。取决于期望的使用用途，应当提供适当大的调整范围和适当的调整精度。

在本发明的更进一步的最佳改进中，至少为差分放大器10的输入端E1、E2以及恒流源15的控制输入端设置了数模转换器(未显示)。这样，能够借助于在微处理器上执行的程序执行电路的调整/匹配或者半导体激光器的驱动。也可以在驱动电路的IC的外部或者在其上设置微处理器连同输入/输出芯片和存储器(RAM、ROM等)。在该电路的较佳形式中，至少包含用于执行一个用于驱动半导体激光器和/或调整电路的程序的微处理器(未显示)。

根据本发明的、用于操作其中电路与分别使用的半导体激光器相匹配的驱动电路的方法描述如下。电路的匹配由规定的事件启动。规定的事件是例如初次启动或者重复启动、半导体激光器的替换、规定的工作小时数或者故障的发生。

按照该方法，

-首先借助于该电路测量半导体激光器的特性曲线数据，

-以测量的数据为基础确定和设置该电路的至少一个启动值，并且

-通过至少作为半导体激光器的期望特征量(例如发射速率)的函数改变该启动值，来确定和设置用于操作包含所述半导体激光器的电路的电路操作值。

自动地匹配驱动电路到各自连接的VCSEL的方法更确切地描述如下。举例来说，把控制电流提供作为用于设置电路的启动值或者参数。然而，作为替代或者另外可以为设置使用其它特性数值、例如电压、温度等。最好是，在启动期间校准电路，或者测量VCSEL的特性曲线，并且在获得的测量数据的基础上设置电路。为了这个目的，电路连接到先前描述的、执行用于确定VCSEL特性的程序的微处理器(未显示)。经由适当的输入/输出芯片和数模转换器将微处理器连接到晶体管13和14的输入端E1、E2、连接到恒流源15的控制输入端和晶体管23、24和25的栅极输入端。可使通常可在半导体激光器(例如VCSEL)上得到的监视二极管的输出端经由模数转换器由微处理器使用以便估算。可以提供适当的传感器和接口以确定更进一步的特性数据、例如温度。

为了设置/匹配电路，最好是首先测量VCSEL的特性曲线。这使用驱动电路来完成，并且，确切地说，通过逐步设置适当的电流/电压值来完成，在这样的情况下可以取决于特性曲线范围提供等距步长乃至可变步长。确定的特性曲线可以存储例如用于稍后的估算、存档等。然后设置最大的控制电流，并且借助于监视二极管测量发射速率。然后逐步降低最大控制电流，并且在这个操作期间使用监视二极管确定用于期望发射速率的电流。存储这样确定的工作点，并且将电路调整到这个设置。取决于相应的需求(允许容差值等)，用于某些半导体激光器的特性曲线可以已经保存在存储器中，从而可以省去特性曲线的确定。

另外，驱动电路的调整可以由不同的事件，例如初次启动、半导体激光器例如VCSEL的替换、工作小时数、故障的发生等来控制。另外，驱动器/驱动电路的某些配置可以被保存在存储器中用于某些类型的半导体激光器和/或操作方式(双端、单端)。取决于需要，不用精细调整，或者仅仅需要快速执行的精细调整。另外，可以设置将被连续监视的半导体激光器的操作、和/或将以短时间间隔估算的半导体激光器的测量数据，以便以这种方式确保半导体激光器的大致优化操作。

Claims (10)

1.用于驱动一个半导体激光器、尤其是垂直腔面发射激光器的电路，包括：一个用于直接驱动半导体激光器的差分放大器，其中将被连接到该电路的半导体激光器借助于差分放大器差分地驱动，差分放大器的第一输出端直流耦合到半导体激光器的第一终端，并且差分放大器的第二输出端交流耦合到半导体激光器的第二终端。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于：差分放大器的第二输出端借助于一个电容器连接到半导体激光器的第二终端，并且一个线圈和一个电阻在电容器和第二终端之间串联接地。

3.如权利要求1所述的电路，其特征在于：可变电阻与差分放大器中的电阻并联连接。

4.如权利要求1所述的电路，其特征在于：在差分放大器的第二输出端和电容器之间提供了另一个线圈、两个二极管和另一个电阻的接地串联连接。

5.如权利要求1所述的电路，其特征在于：至少为差分放大器的输入端和恒流源的控制输入端提供数模转换器。

6.如权利要求5所述的电路，其特征在于：该电路包括一个用于执行一个用于驱动半导体激光器和/或对电路进行设置的程序的微处理器。

7.如权利要求1所述的电路，其特征在于：该电路包括半导体激光器，其中半导体激光器尤其是一个半导体二极管，激光二极管的阳极是半导体激光器的第一终端，并且激光二极管的阴极是半导体激光器的第二终端。

8.如权利要求7所述的电路，其特征在于：该电路和半导体激光器布置在空间上分开的集成电路上，并且提供了该电路的阻抗匹配的线路，用于将半导体激光器连接到该电路。

9.操作一个如权利要求1所述的电路的方法，其中该电路与在规定事件的控制下使用的半导体激光器相匹配，

-其中首先借助于该电路测量半导体激光器的特性曲线数据，

-以测量的数据为基础确定和设置该电路的至少一个启动值，并且

-通过至少作为半导体激光器的期望特征量的函数改变该启动值，来确定和设置用于操作包括所述半导体激光器的电路的电路操作值。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：至少初次启动或者重复启动、半导体激光器的更换、规定的操作小时数或者发生故障是在规定的事件的情况下的一个事件。

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