DE10065838A1 - Elektronische Treiberschaltung für direkt modulierte Halbleiterlaser - Google Patents
Elektronische Treiberschaltung für direkt modulierte HalbleiterlaserInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine elektronische Treiberschaltung für direkt modulierte Halbleiterlaser mit ersten Schaltungsmitteln zur Erzeugung eines Konstantstroms und zweiten Schaltungsmitteln zur Modulation des Konstantstroms, die in Abhängigkeit von einem digitalen Datensignal einen Modulationsstrom erzeugen, der dem Konstantstrom überlagert wird, wobei der modulierte Strom einem Halbleiterlaser zugeführt wird. Erfindungsgemäß sind zusätzlich dritte Schaltungsmittel (T3, R) vorgesehen, die die Treiberschaltung an einer ansteigenden und/oder einer abfallenden Flanke des Stroms durch den Halbleiterlaser (1) jeweils niederohmig halten. Hierdurch kann die Signalform der optischen Ausgangssignale des Halbleiterlasers verbessert und die Treiberschaltung bei höheren Datenraten, insbesondere bei Datenraten bis zu 12 Gbit/s, betrieben werden.
Description
Die Erfindung betrifft eine elektronische Treiberschaltung
für direkt modulierte Halbleiterlaser nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Es ist bekannt, Laserdioden zur Lichterzeugung in optischen
Datenübertragungssystemen einzusetzen. Die optische
Ausgangsleistung einer Laserdiode wird dabei durch eine
Treiberschaltung festgelegt, die der Laserdiode einen
Vorstrom zuführt, der in Abhängigkeit von dem zu
übertragenden Datensignal moduliert wird.
Fig. 6 zeigt eine bekannte Treiberschaltung zur direkten
Modulation eines Halbleiterlasers bzw. einer Laserdiode 1.
Zur Erzeugung eines Konstantstroms (Vorstroms) I4 sind zwei
Transistoren T4, T5 vorgesehen. Der Transistor T5 stellt
dabei einen Stromspiegel zu dem Transistor T4 dar, das heißt
die beiden Transistoren und zugehörigen Ströme sind
identisch. Hierdurch wird ein durch den Transistor T5
fließender Referenzstrom Iref dem Transistor T4 als Konstant
strom I4 eingeprägt. Der Konstantstrom I4 fließt bei ge
schlossenem Transistor T2 in die Laserdiode 1. Der durch die
Laserdiode 1 fließende Strom ist gleich I4 (Ivcsel = I4).
Bei der Laserdiode 1 handelt es sich bevorzugt um eine ober
flächenemittierende VCSEL(vertical cavity surface emitting
laser)-Laserdiode, die in der Regel einen hohen
Innenwiderstand aufweist.
Des weiteren ist ein Differenzverstärker vorgesehen, der
durch zwei Transistoren T1, T2 gebildet wird, deren Emitter-
Anschlüsse an eine Stromquelle T6 angeschlossen sind. An den
Basisanschlüssen der Transistoren T1, T2 liegt eine
Eingangsspannung VDat an, die das zu übertragende, digitale
Datensignal repräsentiert. Sofern ein Logik-Signal anliegt,
fließt durch den Transistor T2 ein Strom I2, so dass der
durch die Laserdiode 1 fließende Strom um diesen Strom I2
vermindert ist (Ivcsel = I4 - I2). Der Strom durch die
Laserdiode 1 und damit die optischen Ausgangsleistung der
Laserdiode 1 wird somit entsprechend dem Signal VDat
moduliert. Dabei ist der Strom I2 in der Regel kleiner oder
gleich dem Strom I4, da der Schwellstrom des Lasers 1 stets
fließen sollte. Durch den Transistor T6 fließt der Strom
Imod, der im wesentlichen dem Strom I2 entspricht.
Der Nachteil der bekannten Schaltung besteht darin, dass ihre
Geschwindigkeit aufgrund eines hohen Ausgangswiderstandes der
Schaltung (an den Kollektoren der Transistoren T2, T4) sowie
aufgrund eines normalerweise relativ hochohmigen
Laserinnenwiderstandes (insbesondere bei der Verwendung von
VCSEL-Lasern) begrenzt ist. Dies ist insbesondere bei hohen
Bitraten im Gigahertzbereich nachteilig.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden
Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektronische
Treiberschaltung für direkt modulierte Halbleiterlaser zur
Verfügung zu stellen, die direkt modulierte Halbleiterlaser
auch bei hohen Datenraten bis 12 Gbit/s ansteuern kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektronische
Treiberschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen angegeben.
Danach sind erfindungsgemäß Schaltungsmittel vorgesehen, die
die Treiberschaltung an einer ansteigenden und/oder einer
abfallenden Flanke des Stroms durch den Halbleiterlaser
jeweils niederohmig halten. Der Treiber wird somit beim
Zuschalten bzw. Abschalten des Modulationsstroms niederohmig
gehalten. Hierdurch wird eine Vorverzerrung (Peaking) der
ansteigenden und/oder abfallenden Flanken des Signals bzw.
Stroms durch den Halbleiterlaser erreicht.
Durch die Vorverzerrung können parasitäre Elemente der
Treiberschaltung wie parasitäre Induktivitäten und
Kapazitäten kompensiert werden und wird dementsprechend eine
verbesserte optische Signalform bereitgestellt, so daß ein
Betrieb der Laserdiode auch bei hohen Datenraten von bis zu
bis 12 GBit/s möglich ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung stellen die
dritten Schaltmittel beim Ansteigen des Stroms durch den
Halbleiterlaser einen zusätzlichen Stromimpuls für den
Halbleiterlaser bereit. Ein solcher Stromimpuls kann
alternativ oder zusätzlich auch beim Abfallen des Stroms als
negativer Stromimpuls für den Halbleiterlaser bereitgestellt
werden.
Die dritten Schaltmittel weisen hierzu bevorzugt einen
Transistor auf, dessen Emitteranschluss über einen Widerstand
mit dem Halbleiterlaser verbunden ist und dessen Basisstrom
von einer Basis-Emitter-Steuerspannung festgelegt wird, die
während der ansteigenden Flanke des Stroms durch den
Halbleiterlaser Peaks aufweist.
Alternativ ist vorgesehen, daß die dritten Schaltmittel
sowohl positive als auch negative Spannungspeaks entsprechend
den ansteigenden und abfallenden Flanken des Stroms durch den
Halbleiterlaser bereitstellen, wobei über einen Stromspiegel
an dem Transistor ein Konstantstrom erzeugt wird, der
entsprechend einer angelegten Basis-Emitter-Steuerspannung
moduliert wird.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die
Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Treiberschaltung;
Fig. 2 die zeitliche Abfolge der Signale der Treiberschal
tung der Fig. 1;
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsge
mäßen Treiberschaltung;
Fig. 4 die zeitliche Abfolge der Signale der Treiberschal
tung der Fig. 3;
Fig. 5 die Laserkennlinie bei den Treiberströmen der
Treiberschaltung gemäß Fig. 3 und
Fig. 6 eine Treiberschaltung gemäß dem Stand der Technik.
Eine Treiberschaltung gemäß dem Stand der Technik war
eingangs anhand der Fig. 6 erläutert worden.
Die Treiberschaltung der Fig. 1 weist zusätzlich zu der
Stromspiegelschaltung mit den Transistoren T4, T5 und dem
Differenzverstärker mit den Transistoren T1, T2 und der
Stromquelle T6 für den Modulationsstrom Imod einen NPN-Tran
sistor T3 und einen Widerstand R auf. Der Widerstand R dient
dabei der Strombegrenzung und muss entsprechend der
geforderten Zeitkonstanten dimensioniert werden.
Der Kollektoranschluss des Transistors T3 ist mit einer
Bezugsspannung verbunden. Der Emitteranschluss des
Transistors T3 ist über den Widerstand R mit dem Knoten
zwischen den Transistoren T2 und T4 verbunden, an den die
Laserdiode 1 angeschlossen ist. Der Stromfluss durch den
Transistor T3 wird durch einen Basisstrom gesteuert, der
durch eine Basis-Emitter-Steuerspannung Vpk erzeugt wird, die
jeweils an der ansteigenden Flanke eines Datensignals einen
Spannungspuls bereitstellt. Die Spannungspulse der Spannung
Vpk werden dabei beispielsweise über das zu übertragende
Datensignal getriggert.
Mittels der Spannungsimpulse wird an der ansteigenden Flanke
des Signalstroms durch die Laserdiode 1 ein zusätzlicher
Stromimpuls bereitgestellt, der den Knoten "Laserdiode 1"
schneller auflädt. Hierdurch können parasitäre Elemente, wie
die angedeuteten Induktivitäten Lpar und Cpar kompensiert
werden.
Durch die zusätzlichen Stromimpulse wird die Treiberschaltung
jeweils während der ansteigenden bzw. abfallenden Flanke des
Stroms durch die Laserdiode 1 niederohmig.
In Fig. 2 ist das zugehörige Spannungs- und Stromdiagramm in
Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Das mittlere Signal
repräsentiert als VDat das zu übertragende Datensignal, das
am Differenzverstärker mit den Transistoren T1, T2 anliegt.
Bei Vorliegen eines High-Pegels ändert sich die Signalform
des Stroms Ivcsel durch die Laserdiode 1 entsprechend.
Über die Spannung Vpk, die an dem Basis-Anschluss des
Transistors T3 anliegt, werden zusätzliche "Peaking-Pulse" P
erzeugt, die zusätzliche Strompulse an den ansteigenden
Flanken des Signalsstroms Ivcsel durch die Laserdiode 1
bereitstellen.
Bei dem alternativen Ausführungsbeispiel der Fig. 3 erfolgt
eine bidirektionale Vorverzerrung des Stroms Ivcsel durch die
Laserdiode 1, das heißt es werden sowohl auf die ansteigenden
als auch auf die abfallenden Flanken des Signals Peaking-
Pulse gegeben.
Dabei ist ein zusätzlicher Strom I7 durch den Transistor T3
vorgesehen, der durch einen Stromspiegeltransistor T7 erzeugt
wird. Hierdurch wird der Transistor T3 immer im aktiven
Betrieb gehalten, auch wenn die Emitterspannung von T3 unter
die Anodenspannung der Laserdiode 1 fällt. Dadurch ist es
möglich, (negative) Peaking-Pulse auch an der negativen
Flanke des Signales einzuprägen und damit auch die negative
Flanke des Signals zu beschleunigen. Dabei muss der
Konstantstrom I4 eventuell etwas erhöht werden, damit sich
durch etwaige Stromverluste von I4 über dem Widerstand R und
T7 die Stromverhältnisse im Laser 1 nicht ändern. Dies ist
abhängig von der Dimensionierung von R, Vpk und I7.
In Fig. 4 sind die zugehörigen Signalverläufe in Abhängig
keit von der Zeit dargestellt. Das zu übertragende Datensi
gnal liegt wiederum als VDat an dem Differenzverstärker mit
den Transistoren T1, T2 an. An der ansteigenden Flanke und
der abfallenden Flanke des Datensignales liegt jeweils als
Vpk ein positiver bzw. negativer Peaking-Puls bzw.
Vorverzerrungspuls P an dem Basis-Anschluss des
Transistors T3 an. Dies führt dazu, dass der Strom Ivcsel
durch die Laserdiode 1 an den jeweiligen Flanken erhöht bzw.
erniedrigt ist.
In Fig. 5 ist die Laserkennlinie des Lasers 1 bei Verwendung
von Treiberströmen entsprechend den Fig. 1 und 3
dargestellt.
Dabei ist die Lichtleistung PLas der Laserdiode 1 in
Abhängigkeit von dem Strom ILas durch den Laser dargestellt.
Der Strom durch die Laserdiode weist einen Konstantstrom
(entsprechend I4 der Fig. 1 und 3) auf, der auf die
Laserstelle Ith gelegt wird. Hierauf wird ein
Modulationsstrom Imod gelegt.
Bei einem rechteckförmigen Modulationsstrom Imod weist die
Ausgangsleistung PLas des Lasers entsprechend der durchge
zeichneten Linie eine Verzerrung der Signalform an den an
steigenden bzw. abfallenden Flanken des Lichtsignals auf. Bei
der erfindungsgemäßen Verwendung von Vorverzerrungspulsen P,
die gestrichelt dargestellt sind, wird die optische
Signalform des Ausgangssignals L wesentlich verbessert und
einem rechteckigen Signal stark angenähert (gestrichelte
Signalform L). Hierdurch ist es möglich, die Laserdiode auch
bei hohen Datenraten bis zu 12 GBit/s zu betreiben.
Es wird darauf hingewiesen, daß das beschriebene
Schaltungsprinzip auch für CMOS-Schaltungen angewendet werden
kann. Dabei werden NPN-Transistoren durch n-Kanal FETs und
PNP Transistoren durch p-Kanal FETs ersetzt. Die
Geschwindigkeit der Treiberschaltung wird dann durch die
Transistorbandbreite vorgegeben.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf
die vorstehend dargestellten Ausführungsbeispiele. Wesentlich
für die Erfindung ist allein, dass die Treiberschaltung
zusätzliche Schaltmittel vorsieht, die an einer ansteigenden
und/oder abfallenden Flanke des Stroms durch die Laserdiode
die Treiberschaltung jeweils niederohmig halten.
Claims (5)
1. Elektronische Treiberschaltung für direkt modulierte
Halbleiterlaser mit
ersten Schaltungsmitteln zur Erzeugung eines Konstantstroms und
zweiten Schaltungsmitteln zur Modulation des Konstantstroms, die in Abhängigkeit von einem digitalen Datensignal einen Modulationsstrom erzeugen, der dem Konstantstrom überlagert wird, wobei der modulierte Strom einem Halbleiterlaser zugeführt wird, gekennzeichnet durch
dritte Schaltungsmittel (T3, R), die die Treiberschaltung an einer ansteigenden und/oder einer abfallenden Flanke des Stroms durch den Halbleiterlaser (1) jeweils niederohmig halten.
ersten Schaltungsmitteln zur Erzeugung eines Konstantstroms und
zweiten Schaltungsmitteln zur Modulation des Konstantstroms, die in Abhängigkeit von einem digitalen Datensignal einen Modulationsstrom erzeugen, der dem Konstantstrom überlagert wird, wobei der modulierte Strom einem Halbleiterlaser zugeführt wird, gekennzeichnet durch
dritte Schaltungsmittel (T3, R), die die Treiberschaltung an einer ansteigenden und/oder einer abfallenden Flanke des Stroms durch den Halbleiterlaser (1) jeweils niederohmig halten.
2. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die dritten Schaltmittel
(T3, R) beim Ansteigen des Stroms einen zusätzlichen
Stromimpuls für den Halbleiterlaser (1) bereitstellen.
2. Treiberschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die dritten Schaltmittel
(T3, R) beim Abfallen des Stroms einen zusätzlichen ne
gativen Stromimpuls für den Halbleiterlaser (1)
bereitstellen.
4. Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die dritten
Schaltmittel einen Transistor (T3) aufweisen, dessen
Emitteranschluss über einen Widerstand (3) mit dem
Halbleiterlaser (1) verbunden ist und dessen Basisstrom
von einer Basis-Emitter-Steuerspannung (Vpk) festgelegt
wird, die während der ansteigenden Flanke des Stroms
durch den Halbleiterlaser (1) Peaks aufweist.
5. Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die dritten
Schaltmittel eines Transistor (T3) aufweisen, dessen
Emitteranschluss über einen Widerstand (3) mit dem
Halbleiterlaser (1) verbunden ist, und dessen Basisstrom
von einer Basis-Emitter-Steuerspannung (Vpk) festgelegt
wird, die positive und negative Spannungspeaks
entsprechend den ansteigenden und abfallenden Flanken
des Stroms durch den Halbleiterlaser (1) aufweist, wobei
über einen Stromspiegel (T7) an dem Transistor (T3) ein
Konstantstrom (I7) erzeugt wird, der entsprechend der
Basis-Emitter-Steuerspannung (Vpk) moduliert wird.
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