DE10160927B4

DE10160927B4 - Lasertreiber mit einer integrierten, digitalen Steuerung

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Publication number: DE10160927B4
Application number: DE10160927.2A
Authority: DE
Inventors: Jesse Chin; Miaobin Gao; Robert Elsheimer; Matthew Scott Abrams; Heng-ju Cheng; Takashi Hidai; Myunghee Lee; Song Liu
Original assignee: Avago Technologies General IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Broadcom International Pte Ltd
Priority date: 2000-12-12
Filing date: 2001-12-12
Publication date: 2016-09-01
Anticipated expiration: 2021-12-13
Also published as: DE10160927A1; GB2373918A; GB0127372D0; US20020105982A1; JP2002204022A; GB2373918B; US6947456B2; JP4056249B2

Abstract

Optischer Sender, der folgende Merkmale aufweist: ein Array (120), das mindestens einen Halbleiterlaser (122) aufweist; einen nichtflüchtigen Speicher (130) zum Speichern von Treibersignalverlaufsparametern; und eine Treiberschaltung (100), die mit dem nichtflüchtigen Speicher (130) und dem Array (120) gekoppelt ist, zum Empfangen von Datensignalen (110) und mindestens einem Treibersignalverlaufsparameter, und ansprechend darauf zum Erzeugen von mindestens einem Treibersignalverlauf zum Treiben des Halbleiterlasers (122); wobei in dem nichtflüchtigen Speicher (130) berechnete optimale Werte für den mindestens einen Treibersignalverlaüfsparameter für jeden zulässigen Temperaturwert und Alterungszeitpunkt des Arrays (120) gespeichert sind; wobei die Treiberschaltung (100) mindestens einen Treibersignalverlaufsparameter während des Betriebs des Senders basierend auf einem Alterungsfaktor des Arrays (120) und einem Temperaturfaktor des Arrays aktualisiert, indem sie auf einen der Werte in dem nichtflüchtigen Speicher (130) durch Temperatur und Alterung Bezug nimmt und diesen zur Aktualisierung verwendet; und basierend auf dem aktualisierten Treibersignalverlaufsparameter einen aktualisierten Treibersignalverlauf erzeugt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Halbleiterlaser und spezieller auf einen Lasertreiber mit offenem Steuerkreis, der eine integrierte, digitale Steuerung zum Liefern von Treibersignalverläufen an Laser aufweist.
Ein optisches Sendermodul ist eine wichtige Komponente in Netzwerksystemen. Der Zweck eines optischen Sendermoduls ist es, Datensignale in elektrischer Form in entsprechende Datensignale in optischer Form umzuwandeln. Auf diese Weise können die Daten als Licht durch ein lichtleitendes Medium, wie z. B. ein Faseroptikkabel, an ein anderes Modul (z. B. ein optisches Empfängermodul) kommuniziert werden.
Das optische Sendermodul verwendet üblicherweise einen Laser, um die elektrischen Datensignale in die Lichtdatensignale umzuwandeln. Ein üblicherweise verwendeter Halbleiterlaser ist der Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser (VCSEL = Vertical Cavity Surface Emitting Laser). Der VCSEL ist jedoch konfiguriert, um nur mit Eingangssignalen zu arbeiten (z. B. Treibersignalverläufen), die speziellen, vorbestimmten elektrischen Eigenschaften entsprechen. Die Treibersignalverläufe können sowohl Gleichsignalbetriebsparameter als auch Wechselsignalbetriebsparameter aufweisen. Die Gleichsignalbetriebsparameter können z. B. den Vorspannungsstrom umfassen, um entweder eine Durchschnitts- oder eine Niedrig-Zustand-Ausgangsleistung zu erreichen. Die Wechselsignalbetriebsparameter können den Modulationsstrom, den Spitzenstrom und Zeitkonstantenparameter umfassen, die gepulsten Signalverläufen zugeordnet sind. Die Datensignale weisen diese vorbestimmten elektrischen Charakteristika (z. B. spezifische Gleichsignal- und Wechselsignal-Betriebsparameter) üblicherweise nicht auf. Folglich wird eine Schaltung zum Aufnehmen der Datensignale, und ansprechend darauf zum Erzeugen entsprechender VCSEL-Treibersignale (z. B. eines Treibersignalverlaufs) mit den elektrischen Charakteristika gebraucht, die zum Treiben des VCSEL geeignet sind. Diese Schaltung wird üblicherweise als ein VCSEL-Treiber bezeichnet.
Ferner programmiert der VCSEL-Treiber den Treibersignalverlauf oder stellt denselben mit bestimmten Gleichsignal- und Wechselsignal-Parametern ein, um die Bitfehlerrate (BER; BER = bit error rate) der faseroptischen Verbindung unter Verwendung des Senders zu optimieren. Die Bitfehlerrate ist einfach eine Messung der Anzahl von Bitfehlern, die durch das Sendermodul verursacht wurden. Ein Bitfehler ist einfach ein Datenfehler, wenn ein Datenwert „1” als ein Datenwert „0” gesendet wird, oder wenn ein Datenwert „0” als ein Datenwert „1” gesendet wird.
Es gibt zwei Hauptlösungsansätze bei dem Entwurf von bekannten Lasertreibern. Der erste Lösungsansatz verwendet einen geschlossenen Steuerkreis (d. h., er verwendet eine optische Rückkopplung zum Einstellen der Lichtausgangsleistung), um die Treibersignalverläufe zu programmieren. Der zweite Lösungsansatz verwendet einen offenen Steuerkreis (d. h., er verwendet keine optische Rückkopplung, um die Lichtausgangsleistung einzustellen), um die Treibersignalverläufe zu programmieren. Diese bekannten Lösungsansätze mit ihren zugehörigen Nachteilen werden nachfolgend beschrieben.
Lösungsansätze mit geschlossenem Steuerkreis
Das U.S.-Patent 5,638,390 beschreibt einen exemplarischen Lösungsansatz mit geschlossenem Steuerkreis, der in einer Laserausgangsleistungs-Stabilisierungsschaltung verkörpert ist. Die Laserausgangsleistungs-Stabilisierungsschaltung verwendet eine Photodiode, um die optischen Leistung des Lasers zu überwachen. Das Photodiodenausgangssignal wird mit einer Referenzspannung von einem Digitalpotentiometer verglichen, um den korrekten Gleichvorspannungsstrom für den Laser zu erhalten. Zur Zeit der Herstellung des Senders wird das Digitalpotentiometer zum Optimieren des Gleichvorspannungsstroms des Lasers eingestellt. Während des Betriebs des Senders wird der Vorspannungsstrom des Lasers angepaßt, wenn eine Änderung des Photodiodenausgangssignals auftritt.
Leider leiden diese Lösungsansätze mit geschlossenem Steuerkreis unter mehreren Nachteilen. Erstens steigert die Verwendung der Photodiode die Kosten des optischen Senders. Zweitens bringt die Notwendigkeit der Photodiode Verpackungsbedenken auf, die mit dem Überwachen der Photodioden auf eine solche Weise zusammenhängen, daß diese optimal mit dem VCSEL ausgerichtet sind. Drittens erfordern die Lösungsansätze mit geschlossenem Steuerkreis komplexe Rückkopplungsschaltungen, die für jeden VCSEL reproduziert werden müssen, wodurch die Kosten und die Komplexität der Herstellung weiter gesteigert werden.
Lösungsansätze mit offenem Steuerkreis
Das Datenblatt für die integrierte Schaltung (IC; IC = integrated circuit) des AMCC S7011-Senders, die bei Applied Micro Circuits Corporation (AMCC) erhältlich ist, beschreibt einen exemplarischen Lösungsansatz mit offenem Steuerkreis. Die S7011-IC scheint fähig zu sein, die Parameter des Lasertreibersignalverlaufs Imod und Ibias anzupassen, falls ein Eingangssignal von einer externen Quelle (z. B. einem Mikroprozessor) oder ein Eingangssignal von externen Widerständen und Spannungsreferenzen gegeben ist. Leider liefern die bekannten Lösungsansatze mit offenem Steuerkreis, einschließlich des AMCC-Lösungsansatzes, keine oder sehr begrenzte Mechanismen, um den Treibersignalverlauf basierend auf Änderungen betreffend das Alter und die Temperatur des Lasers anzupassen. Diese bekannten Lösungsansätze mit offenem Steuerkreis sind ebenfalls nicht in der Lage, ein Programmieren der Übergangsaspekte des VCSEL-Treibersignalverlaufs (z. B. negative Spitzenwertbildung) möglich zu machen.
VCSEL-Arrays
Kürzlich bestand Interesse, von einem einzelnen VCSEL zu einem Array von VCSELs überzugehen, das z. B. eine Mehrzahl von VCSELs sein kann, die in einer Reihe angeordnet sind. Wie zu erkennen ist, kann ein Array von VCSELs verwendet werden, um mehr Daten durch ein Faseroptikkabel mit mehreren Kanälen zu senden, als ein einzelner VCSEL durch ein Faseroptikkabel mit einem einzelnen Kanal senden kann. Leider ist eine der technischen Herausforderungen zum Implementieren des Arrays von VCSELs, daß die Einheitlichkeit des optischen Signalverlaufs über das VCSEL-Array beibehalten werden muß, um die BER der Faseroptikverbindung zu optimieren.
Folglich sind die richtigen Einstellungen für die Gleichsignal- und Wechselsignal-Parameter der Treibersignalverläufe besonders wichtig für Faseroptiksender, die ein Array von VCSELs verwenden. Die Parameter müssen eingestellt werden, um eine Einheitlichkeit des optischen Signalverlaufs über das VCSEL-Array beizubehalten. Die Einstellung dieser Eigenschaften muß am Anfang des Betriebs erfolgen und ferner in periodischen Intervallen während der Lebensdauer des Produkts.
Halbleiter-Elektrisch-zu-Optisch-Sender erfordern oft ein Schema, um die optischen Gleichsignal- und Wechselsignal-Betriebscharakteristika der lichtemittierenden Vorrichtung zu programmieren. Vorzugsweise wird das Programmieren am Anfang der Produktverwendung durchgeführt und periodisch während der Lebensdauer des Senders programmiert. Leider sind die bekannten Lösungsansätze, die die Signalverläufe während der Lebensdauer des Senders periodisch programmieren teuer, komplex zu implementieren und auf Gleichsignalparameter begrenzt. Die bekannten Lösungsansätze, die einige der Wechselstromfragen adressieren, wie z. B. den Modulationsstrom, sind auf ausschließliches Programmieren am Anfang der Produktverwendung beschränkt. Folglich können diese bekannten Lösungsansätze diese Art von Programmierung nicht durchführen, wenn das Produkt ein Programmieren während des Betriebslebensdauer des Treibers erfordert.
Altersabhängigkeit der Lichtausgabe
Idealerweise bleibt das Verhalten des Lasers bezüglich der Lichtausgabe während des Betriebslebensdauer des Lasers konstant. Wenn dies der Fall wäre, könnten die Treibersignalverläufe einmal durch den Lasertreiber programmiert werden und würden keine weiteren Änderungen oder ein Neuprogrammieren erfordern. Leider neigt die VCSEL-Lichtausgabe in Wirklichkeit dazu, im Lauf der Betriebslebensdauer des Lasers schlechter zu werden. Folglich wäre es wünschenswert, einen Mechanismus in dem VCSEL-Treiber zum periodischen Anpassen der VCSEL-Treibersignalverlaufsparameter zu haben, um die Verschlechterung auszugleichen. Bedauerlicherweise sind die bekannten Lösungsansätze, die einen Lösungsansatz mit einem offenen Steuerkreis verwenden, wie z. B. der AMCC-Lösungsansatz, auf das Programmieren der Signalverlaufsparameter am Anfang der Produktlebensdauer begrenzt und weisen keinen Mechanismus zum periodischen Anpassen der VCSEL-Treibersignalverlaufsparameter zum Ausgleichen der Verschlechterung auf.
Temperaturabhängigkeit der Lichtausgabe
Ferner wäre die Lichtausgabe des Lasers in einer idealen Situation unabhängig von der Betriebstemperatur. Wenn dies der Fall wäre, würde der Treibersignalverlauf keine Anpassung erfordern, wenn sich die Betriebstemperatur ändert. Leider ist die Lichtausgabe des Lasers in Wirklichkeit abhängig von der Betriebstemperatur. Dementsprechend wäre es wünschenswert, einen Mechanismus zu haben, der die Treibersignalverläufe anpasst, wenn sich die Betriebstemperatur ändert. Dadurch können optimale Charakteristika des optischen VCSEL-Signalverlaufs beibehalten werden. Bedauerlicherweise bieten die bekannten Lösungsansätze keinen Mechanismus zum periodischen Anpassen der VCSEL-Treibersignalverlaufsparameter an, um die Änderungen der Betriebstemperaturen auszugleichen.
Basierend auf dem Vorangehenden verbleibt ein Bedarf nach einer digitalen Steuermethode und einer Einrichtung für Halbleiterlaser, die die vorangehend ausgeführten Nachteile überwindet.
Die EP 0 823 759 A2 beschreibt eine ”intelligente” Laserdiodenarray-Anordnung mit mindestens einem Laserdiodenarray, einer Zwischenstruktur, an der das Array angebracht ist, und einem integralen Speicherbauelement. Das Speicherbauelement speichert Betriebsinformationen für das Laserdiodenarray. Die Anordnung umfaßt Sensoren zum Erfassen der Betriebsbedingungen des Laserdiodenarrays. Eine Verarbeitungseinrichtung ist mit den Sensoren gekoppelt, um die Betriebsbedingungen des Laserdiodenarrays direkt zu überwachen und basierend darauf, daß externe Betriebssystem anzuweisen, die optimalen Betriebsparameter bereitzustellen. Das Speicherbauelement enthält beispielsweise Daten, die besagen, daß, um eine vorbestimmte Ausgangsleistung bei einer vorbestimmten Wellenlänge von 808 nm zu erhalten, die Temperatur des Temperatursensors 31°C betragen muß, das Array mit 110 A, mit einer Rate von 30 Hz und einer Pulsdauer von 220 ms betrieben werden muß.
Die WO 99/14832 A1 bzw. US 6,195,370 B1 beschreibt ein optisches Übertragungsgerät und ein Verfahren zum Steuern einer Laserdiode. Mittels einer Fotodiode und einer Schaltung zum automatischen Steuern der optischen Ausgabe wird die Emissionsleistung der Laserdiode konstant gehalten. Eine Speichereinrichtung speichert Treibersteuerdaten zum Bestimmen eines Vorspannungsstroms und eines Modulationsstroms für verschiedene vorbestimmte Temperaturen. Die Treibersteuerdaten umfassen Anfangsdaten für eine anfänglichen Vorspannungsstrom und einen anfänglichen Modulationsstrom für jede der vorbestimmten Temperaturen sowie Korrekturdaten, die anschließend zu den anfänglichen Daten addiert werden.
Die US 5,383,208 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern der Ausgangsleistung einer Laserdiode. Die Vorrichtung umfaßt eine Fotodiode zum Erfassen der emittierten Leistung der Laserdiode, eine digitale Einrichtung zum Treiben der Laserdiode, eine Programmspeichereinrichtung, eine Parameterspeichereinrichtung, einen Kommunikationskanal und einen Temperatursensor. Eine Ausgangsleistung der Laserdiode wird unabhängig von einer Veränderung der Charakteristik der Laserdiode aufgrund einer Alterung oder einer Änderung der Temperatur konstant gehalten.
Die US 5,019,769 beschreibt eine Halbleiterdioden-Steuerung und ein Verfahren zum Steuern der Vorspannung einer Laserdiode. Eine Fotodiode an einer rückwärtigen Facette einer Laserdiode wird verwendet, um die durch die Laserdiode erzeugte optische Ausgangsleistung zu überwachen. Ein thermoelektrischer Kühler und ein Temperatursensor werden verwendet, um die Temperatur der Laserdiode zu stabilisieren. Der Schwellenstrom der Laserdiode, ein Betriebsstrom bei einem vorbestimmten Pegel der optischen Ausgangsleistung und die momentane Betriebstemperatur werden in einem Speicher gespeichert.
Die US 5,623,355 beschreibt ein Laser-Datenübertragungssystem, das basierend auf einer Fehlerrate gesteuert wird. Ein Übertragungsprozessor kompensiert hohe Fehlerraten des Laser-Datenübertragungssystems durch Erhöhen des Laser-Treiberstroms. Bei niedrigen Übertragungsfehlerraten wird der Lasertreiberstrom reduziert, um den Leistungsverbrauch des Sender zu verringern.
Die US 5,844,928 beschreibt einen Lasertreiber mit Temperatursensor an einer integrierten Schaltung. Die Temperatur des Lasers wird indirekt bestimmt, in dem die Temperatur einer integrierten Schaltung erfaßt und mittels einer Look-up-Tabelle in eine entsprechende Temperatur des Lasers umgesetzt wird. Eine Diode an einer Rückseite des Lasers überwacht die von dem Laser ausgegebene optische Leistung kontinuierlich.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Sender, einen Lasertreiber zum Erzeugen von Treibersignalverläufen und ein Verfahren zum Liefern eines Treibersignalverlaufs mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen optischen Sender gemäß Anspruch 1, einen Lasertreiber gemäß Anspruch 9 und ein Verfahren gemäß Anspruch 14 gelöst.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfaßt der Lasertreiber der vorliegenden Erfindung eine integrierte, digitale Steuerung zum Programmieren der Gleichsignal- und Wechselsignal-Parameter des Treibersignalverlaufs, der einen einzelnen VCSEL oder ein Array von VCSELs zur Verwendung in einem faseroptischen Sender treibt. Die digitale Steuerung ist in die Treiber-IC integriert und wird zum Programmieren eines oder mehrerer der folgenden VCSEL-Treibersignalverlaufsparameter verwendet: (1) Vorspannungsstrom, (2) Modulationsstrom, (3) negative Spitzenwertbildungstiefe und (4) negative Spitzenwertbildungsdauer.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt der Lasertreiber einen Alterungsausgleichsmechanismus zum Überwachen des Alters des Lasers und zum selektiven Anpassen der Gleichsignal- und Wechselsignal-Parameter des VCSEL-Treibersignalverlaufs, um das Altern des Lasers auszugleichen. Vorzugsweise wird ein Zeitgeber verwendet, um das Alter des Lasers zu überwachen.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel umfaßt der Lasertreiber einen Temperaturausgleichsmechanismus zum Überwachen der Temperatur der Treiber-IC und zum selektiven Anpassen der Gleichsignal- und Wechselsignal-Parameter des VCSEL-Treibersignalverlaufs, um die Änderungen der Temperatur auszugleichen. Vorzugsweise wird ein Temperatursensor verwendet, um die Temperatur der Treiber-IC zu überwachen.
Wie vorangehend beschrieben, kann die Optimierung der optischen VCSEL-Signalverlaufscharakteristika in einem Mehrkanal-Faseroptiksender eine schwierige Herausforderung darstellen. Der Lasertreiber der vorliegenden Erfindung programmiert die VCSEL-Treibersignalverlaufsparameter jedes Kanals separat am Anfang und während des Betriebs des Senders, um optimale optische Signalverläufe für jeden Kanal beizubehalten. Durch Aktualisieren der VCSEL-Treiberparameter während des Senderbetriebs gleicht der Lasertreiber der vorliegenden Erfindung die Alterung des Lasers und die Temperaturänderungen aus.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Entwurfsmethodologie für das Programmieren des VCSEL-Treibersignalverlaufs geschaffen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf ähnliche Elemente beziehen, näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines exemplarischen Mehrkanal-Faseroptik-Sendermoduls, in dem der Lasertreiber der vorliegenden Erfindung implementiert werden kann;
2 ein detailliert den Lasertreiber aus 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 ein Blockdiagramm, das den Lasertreiber aus 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung detaillierter darstellt;
4 die Treibersignalverlaufs-Formgebungsschaltung aus 3 detaillierter gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 ein Flußdiagramm, das die Schritte darstellt, die durch die Steuerung aus 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden;
6 ein Flußdiagramm, das die Schritte darstellt, die durch die Steuerung aus 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden; und
7 einen exemplarischen Treibersignalverlauf, der durch den Lasertreiber der vorliegenden Erfindung erzeugt wird.
Es werden ein Lasertreiber mit offenem Steuerkreis und einer integrierten, digitalen Steuerung und ein Programmierverfahren beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden zu Erklärungszwecken zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein gutes Verständnis der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Für einen Fachmann ist es jedoch offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden kann. In anderen Fällen werden bekannte Strukturen und Vorrichtungen in Form eines Blockdiagramms gezeigt, um unnötige Unklarheiten betreffend die vorliegenden Erfindung zu vermeiden.
Der Lasertreiber der vorliegenden Erfindung integriert eine digitale Steuerung, Datenspeicher-/Wiedergewinnungseinrichtungen und die erforderlichen Mechanismen zum anfänglichen Einstellen und periodischen Anpassen der Parameter des VCSEL-Treibersignalverlaufs für jeden Kanal, um Alterung und Betriebstemperaturänderungen effektiv auszugleichen.
1 ist ein Blockdiagramm eines exemplarischen Mehrkanal-Faseroptik-Sendermoduls (MCFOTM; MCFOTM = multiple channel fiber optic transmitter module) 90, in dem der Lasertreiber der vorliegenden Erfindung implementiert werden kann. Das Mehrkanal-Faseroptik-Sendermodul (MCFOTM) 90 kann z. B. ein Sendermodul mit zwölf Kanälen sein. Das Mehrkanal-Faseroptik-Sendermodul 90 umfaßt einen Lasertreiber 100 zum Empfangen von Datensignalen 110, und ansprechend darauf, zum Erzeugen von Treibersignalverläufen 112, ein Laserarray 120, das eine Mehrzahl von Lasern 122 aufweist (z. B. VCSELs), und einen nichtflüchtigen Speicher 130 zum Speichern von Treibersignalverlaufsparametern. Ein Faseroptikkabel 124 ist mit dem Laserarray 120 gekoppelt, um Licht aufzunehmen, das durch die Laser 122 in dieselben geworfen wird.
Der Treiberstromsignalverlauf, der der VCSEL-Diode jedes Kanals zugeordnet ist, wird durch den Lasertreiber 100 und den nichtflüchtigen Speicher 130 programmiert. Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt das MCFOTM 90 einen VCSEL-Treiber, ein 1 × N-VCSEL-Array und einen EEPROM. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben wird, umfaßt der Lasertreiber 100 eine digitale Steuerung zum Programmieren und Datenwiedergewinnen.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind 2·N Signalleitungen zwischen dem Lasertreiber 100 und dem VCSEL-Array 120 angeordnet, wobei N Signalleitungen mit den Anoden der VCSELs gekoppelt sind, und N Leitungen entweder mit einer Erdungsebene oder mit den Kathoden der VCSEL gekoppelt sind, abhängig von dem Typ des VCSEL und der Konfiguration des Lasertreibers 100. Es wird darauf hingewiesen, daß N die Anzahl der Kanäle ist, die in das Mehrkanal-Faseroptik-Sendermodul 90 eingelagert sind.
Ein Zugriffspunkt 140 ist zum Lesen und Schreiben von Daten in den Speicher 130 und den Lasertreiber 100 vorgesehen. Wie nachfolgend hierin detaillierter beschrieben wird, kann der Zugriffspunkt 140 zum Kommunizieren von Testsignalen und Daten an den Lasertreiber 100 und den Speicher 130 verwendet werden.
Lasertreiber
2 stellt den Lasertreiber 100 aus 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung detaillierter dar. Der Lasertreiber 100 umfaßt eine Steuerung 200, eine Mehrzahl von Treiberparameterregistern (210, 214, 218, 224) zum Speichern von Treiberparametern, einen Altersausgleichsmechanismus 240, einen Temperaturausgleichsmechanismus 250, eine Fehlerbestimmungsschaltung 260, eine Mehrzahl von Digital-zu-Analog-Wandlern (DAW) 234, eine Treibersignalverlaufs-Formgebungsschaltung 238, ein Altersregister 280 zum Speichern eines Alterswerts und ein Fehlerregister 290 zum Speichern eines vorbestimmten Fehlerwerts.
Integrierte digitale Steuerung 200 in der VCSEL-Treiber-IC
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Integration einer digitalen Steuerung 200 in den Lasertreiber 100. Der Lasertreiber 100 der vorliegenden Erfindung verwendet die Steuerung 200 zum digitalen Programmieren der Gleichsignal- und Wechselsignal-Eigenschaften des VCSEL-Treibersignalverlaufs für einen einzigen Laserchip oder für ein 1 × N-Array des Laserchips.
Der Lasertreiber 100 der vorliegenden Erfindung schafft einen Mechanismus zum individuellen Programmieren der Parameter (z. B. Gleichsignal- und Wechselsignal-Parameter) für jeden Laserchip in einem Array, um eine Einheitlichkeit der optischen Signalverläufe über das Array zu erreichen.
Programmieren der Treibersignalverlaufparameter
Der Lasertreiber 100 kann z. B. die VCSEL-Vorspannung für eine optische, logische Null durch Verwendung der integrierten Steuerung 200 und der Digital-zu-Analog-Wandler (DAW) 234 digital programmieren. Ferner kann der Lasertreiber 100 den VCSEL-Treibersignalverlauf zum Modulieren einer optischen Null zu einem Übergang durch Verwendung der integrierten Steuerung 200 und der DAWs 234 digital programmieren.
Eine Eigenschaft des Lasertreibers der vorliegenden Erfindung ist die Programmierbarkeit der Wechselsignalcharakteristika, wie z. B. negative Spitzenwertbildungs-Tiefe und -Dauer, des VCSEL-Treibersignalverlaufs. Die negative Spitzenwertbildung bezieht sich auf den VCSEL-Treibersignalverlauf während des fallenden Übergangs von der logischen Eins zu der logischen Null. I_pkd ist die negative Spitzenwertbildungstiefe. T_pkw ist die negative Spitzenwertbildungsdauer.
Der Lasertreiber 100 kann eine negative Spitzenwertbildungstiefe an dem VCSEL-Treibersignalverlauf zur Verwendung während eines optischen Eins-zu-Null-Übergangs digital programmieren. Die negative Spitzenwertbildung wird zum Senken der optischen Abfallzeit während eines Eins-zu-Null-Übergangs verwendet. Der Lasertreiber 100 kann ferner eine negative Spitzenwertbildungsdauer bezüglich des VCSEL-Treibersignalverlaufs zur Verwendung während eines optischen Eins-zu-Null-Übergangs digital programmieren.
Wie nachfolgend hierin detaillierter beschrieben wird, kann der Lasertreiber 100 der vorliegenden Erfindung auch die digitale Steuerung 200 zum Implementieren einer Zeitgeberfunktion zum periodischen Einstellen bzw. Anpassen des VCSEL-Treibersignalverlaufs zum Ausgleichen des Alterns verwenden.
Wie nachfolgend hierin detaillierter beschrieben wird, kann der Lasertreiber 100 der vorliegenden Erfindung ferner eine integrierte, digitale Steuerschleife zum Überwachen der Chiptemperatur und zum Einstellen der Gleichsignal- und Wechselsignal-Parameter der VCSEL-Treibersignalverläufe zum Ausgleichen von Temperaturänderungen verwenden.
Altersausgleichsmechanismus
Wie bereits beschrieben wurde, neigt die VCSEL-Lichtausgabe zu einer Verschlechterung über die Betriebsdauer des Lasers. In dieser Hinsicht müssen die VCSEL-Treibersignalverlaufsparameter periodisch eingestellt werden, um die Verschlechterung auszugleichen. Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt der Lasertreiber der vorliegenden Erfindung einen programmierbaren Zeitgeber, der in Zusammenarbeit mit der digitalen Steuerung die Signalverlaufsparameter jedes VCSEL-Treibers periodisch einstellt, um die Alterung auszugleichen.
Ein weiterer Aspekt des Lasertreibers der vorliegenden Erfindung ist die Integration einer Zeitgeberfunktion in die digitale Steuerung, um den Ausgleich der Lichtausgabe aufgrund von VCSEL-Alterung auszugleichen. Der Zeitgeber erlaubt eine periodische Einstellung bzw. Anpassung der VCSEL-Treibersignalverlaufs-Gleichsignal- und Wechselsignalparameter, um die Alterung auszugleichen.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Altersausgleichsmechanismus 240 durch die Verwendung eines chipinternen 10-MHz-Taktes, eines programmierbaren Divisors (D) für den Takt, eines 31-Bit-Zählers (hierin bezeichnet als ein niederwertiger Alterungszähler) in der Steuerung 200 und eines 16-Bit-Zähler (hierin bezeichnet als ein höherwertiger Alterungszähler) in dem nichtflüchtigen Speicher 130 implementiert werden. Der Taktdivisor D, kombiniert mit der 10-MHz-Taktperiode, bestimmt, wie oft (in Sekunden oder Minuten) der höherwertige Alterungszähler inkrementiert wird. Die Steuerung 200 aktualisiert die DAW-Einstellungen, wenn die vier MSB (MSB = most significant bit) des hoherwertigen Alterungszählers inkrementiert werden. Wenn z. B. D gleich 32 ist und die 10-MHZ-Taktperiode 100 ns entspricht, dann kann der niederwertige Alterungszähler alle 114,5 Minuten inkrementiert werden, und die vier MSB des höherwertigen Alterungszählers werden alle 325 Tage inkrementiert.
Wenn die Leistung an den Sender unterbrochen wird, speichert der EEPROM die letzte Zählereinstellung in mehreren Registern (z. B. drei Registern). Wird wieder Leistung geliefert, wird die Zählereinstellung in jedem der Register mit den Zählerwerten in den anderen zwei Registern für Genauigkeit überprüft. Die Zählereinstellung, die in mindestens zwei Registern gefunden wird, wird als die korrekte Einstellung ausgewählt.
Temperaturkompensationsmechanismus
Wie vorangehend beschrieben wurde, erfordern die VCSEL-Treibersignalverlaufsparameter eine Einstellung, um optimale optische VCSEL-Signalverlaufscharakteristika beizubehalten, da sich die Betriebstemperatur des Sendermoduls ändert. Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt der Lasertreiber der vorliegenden Erfindung eine integrierte Temperaturüberwachungsvorrichtung und ein Rückkopplungssystem zum Anpassen der VCSEL-Treibersignalverlaufsparameter nach einer Temperaturänderung.
Ein weiterer Aspekt des Lasertreibers der vorliegenden Erfindung ist die Integration einer Temperaturerfassungs- und Rückkopplungs-Schaltung an der Treiber-IC.
Der Lasertreiber 100 umfaßt ferner eine nichtflüchtige Speicherschnittstelle 230 zum Kommunizieren mit dem nichtflüchtigen Speicher 130. Der nichtflüchtige Speicher 130 speichert die DAW-Einstellungen für I_mod, I_bias, T_pkw und I_pkd in dem Format einer Nachschlagtabelle. Es kann auf jede DAW-Einstellung Bezug genommen werden (z. B. Zugriff durch eine Leseoperation), durch Verwenden einer Adresse, die das folgende Format aufweist: AAAATTTTTCCCCXX. Die „A”s stellen die vier höchstwertigen Bits (MSB) des Alterungszählers dar. Die „T”s stellen fünf Bit dar, die die Temperatur des Lasertreibers 100 darstellen. Die „C”s stellen die Kanalnummer dar und die „X”en stellen die DAW-Nummer dar. Es wird darauf hingewiesen, daß die DAWs für die I_mod-, I_bias T_pkw-, I_pkd-Parameter jeweils eine andere Nummer aufweisen, die denselben zugeordnet ist.
3 stellt eine exemplarische Implementierung des Temperaturausgleichsmechanismus 250 und der Fehlerbestimmungsschaltung 260 aus 2 dar. Für jeden Kanal fließen unterschiedliche Eingangsdaten von Data_in+ und Data_in– durch die Eingabestufe 310 und die Pegelverschiebungsstufe 314 zu der Treibersignalverlaufs-Formgebungsschaltung 238. Die Treibersignalverlaufs-Formgebungsschaltung 238 erzeugt einen Strompuls (d. h. einen Treibersignalverlauf) für jeden Datenpuls, um einen Laser 122 in dem Laserarray 120 zu treiben.
Die VCSEL-Strompulsform wird durch die Treibersignalverlaufs-Formgebungsschaltung 238 hinsichtlich I_mod, I_bias, T_pkw und I_pkd optimiert, wie in 7 gezeigt ist. Der Ausgangsstrom I_out jedes Kanals wird an einen der Laser 122 in dem VCSEL-Array 120 gesendet. Ein exemplarisches Ausführungsbeispiel der Treibersignalverlaufs-Formgebungsschaltung 238 wird nachfolgend hierin bezugnehmend auf 4 detaillierter beschrieben.
Temperaturmeßblock
Da sich die VCSEL-Betriebsparameter im Hinblick auf Zeit oder Temperatur ändern mussen, aktualisiert die Steuerung 200 die Treiberparameter in Echtzeit. Anpassungen für die Temperatur können z. B. periodisch auftreten (z. B. in Intervallen von 30 Millisekunden). Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Temperaturausgleichsmechanismus 250 teilweise durch einen Temperaturmeßblock (TMB) 234 und einen Analog-zu-Digital-Wandler 330 implementiert werden. Der Temperaturmeßblock (TMB) 234 ist ein Sensor, der die Chipsubstrattemperatur mißt. Die gemessenen Daten werden dann durch den Analog-zu-Digital-Wandler (ADC) 330 in ein digitales Format umgewandelt und dann an die Steuerung 200 als das digital_temp-Signal geliefert. Die Steuerung 200 gewinnt dann (von dem EEPROM 130) neue DAW-Einstellungen für I_mod, I_bias, T_pkw, I_pkd basierend auf der Temperatur wieder. Die neuen DAW-Einstellungen werden in Registern gespeichert (z. B. I_mod-Register 210, I_bias-Register 214, T_pkw-Register 218, I_pkd-Register 224). Vorzugsweise sind die Register (hierin auch als DAW-Register bezeichnet) innerhalb der DAWs 234 angeordnet. Die DAWs 234 verwenden die aktuellen DAW-Werte in diesen Registern (210, 214, 218, 224), um die VCSEL-Treibersignalverlaufsparameter einzustellen.
Auf ähnliche Weise werden die neuen DAW-Einstellungen für I_mod, I_bias, T_pkw und I_pkd aus dem EEPROM wiedergewonnen und an die DAW-Register geschrieben, wenn ein Alterungszeitpunkt erreicht wird, wie durch den Alterungszähler bestimmt wird (z. B. den niederwertigen Alterungszähler und der höherwertige Alterungszähler). Dann werden die VCSEL-Treibersignalverlaufsparameter angepaßt.
Fehlererfassungsschaltung
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfaßt die Fehlererfassungsschaltung 260 einen Widerstand (Rfault) 340, einen Differenzverstärker 344, einen Komparator 348, einen DAW 350 und einen Puffer 354. Die Fehlererfassungsschaltung 260 bestimmt, wann sich der durchschnittliche Betrag des Stroms, der durch jeden VCSEL fließt, über einer vorbestimmten Sicherheitsgrenze befindet. Der Betrag des durchschnittlichen VCSEL-Stroms wird durch Messen der Spannungsdifferenz (vfx_del) über den Rfault-Widerstand 340 bestimmt. Die Spannungsdifferenz über dem Rfault-Widerstand 340 wird dann mit einer vorbestimmten Fehlerschwelle vfx_th verglichen. Die Fehlerschwelle vfx_th ist durch den Benutzer programmierbar und kann in dem EEPROM 130 und einem Fehlerregister 290 in der Steuerung 200 als fault_th gespeichert werden.
Wenn vfx_del höher ist als vfx_th, ändert der Komparator 348 den Zustand von fault_flag. Eine Änderung des Zustands des fault_flag-Signals eines beliebigen Kanals unterbricht die Steuerung 200. Die Steuerung 200 stellt dann die DAW-Werte für I_mod, I_bias, T_pkw und I_pkd für alle N Kanäle alle auf Null ein, was wiederum den VCSEL-Strom jedes Kanals auf Null Milliampere ändert.
Der Zustand der tx_enable-Leitung wird für den Lasertreiber 100 umgeschaltet, um den Betrieb wieder aufzunehmen. Sobald der Betrieb wieder aufgenommen ist, gewinnt die Steuerung 200 die richtigen DAW-Einstellungen basierend auf der Temperatur und dem Wert in dem Alterungszähler wieder. Wie vorangehend beschrieben wurde, kann der Alterswert in mehreren Registern (z. B. Altersregister 280) in der Steuerung 200 gespeichert werden.
Datensignalverlauf-Formgebungsschaltung
4 stellt die Treibersignalverlaufs-Formgebungsschaltung (DWSC; DWSC = drive waveform shaping circuit) 238 aus 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung detaillierter dar. Um es kurz zu halten, wird die Treibersignalverlaufs-Formgebungsschaltung 238 für einen einzelnen Kanal in 4 dargestellt und hierin nachfolgend beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, daß die Treibersignalverlaufs-Formgebungsschaltung 238 repliziert werden kann, um der spezifischen Anzahl von Kanälen in einer bestimmten Anwendung zu entsprechen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel umfaßt die Treibersignalverlaufs-Formgebungsschaltung 238 Eingänge für das Empfangen von Differenzdatensignalen (DataIn+ und DataIn–) und Eingänge zum Empfangen der Ausgangsspannungssignale von dem DAW 234. Spezifisch umfaßt die Treibersignalverlaufs-Formgebungsschaltung 238 ferner einen Eingang zum Empfangen von V_bias von dem DAW 234, einen Eingang zum Empfangen von V_mod von dem DAW 234 und einen Eingang zum Empfangen von V_pkw von dem DAW 234 und einen Eingang zum Empfangen von V_pkd von dem DAW 234. Wie vorangehend beschrieben wurde, werden die Ausgangsspannungssignale des DAW 234 basierend auf den Treibersignalverlaufs-Gleichsignal- und Wechselsignal-Parametern erzeugt, die dem aktuellen Alter und den Temperaturbedingungen zugeordnet sind. Basierend auf diesen Eingaben erzeugt die Treibersignalverlaufs-Formgebungsschaltung 238 einen Treibersignalverlauf (z. B. den I_out), der an eine Anode eines Lasers geliefert wird (z. B. eine Anode des VCSEL 122). Ein Beispiel dieses Treibersignalverlaufs mit einem negativen Spitzenwertbildungsabschnitt ist in 7 gezeigt.
Die DWSC 238 umfaßt eine Mehrzahl von Eingangspuffern (410, 420, 430 und 440) zum Puffern der Ausgangsspannungssignale, die vor dem Liefern der Spannungssignale an die anderen Blöcke der DWSC 238 von dem DAW 234 empfangen werden. Es wird darauf hingewiesen, daß der Puffer 420 ein invertierender Puffer ist, der V_mod empfängt und ein invertiertes V_mod-Signal erzeugt.
Die DWSC 238 umfaßt ferner eine spannungsgesteuerte Stromquelle 450 (VCCS; VCCS = voltage controlled current source), einen Ausgangstreiber-Differenztranskonduktanz (ODDTA; ODDTA = output driver differential transconductance amplifier) 460, der mit der spannungsgesteuerten Stromquelle 450 gekoppelt ist, und einen Differentialsteilheitsverstärker mit negativer Spitzenwertbildung (NPDTA; NPDTA = negative peaking differential transconductance amplifier) 470, der ebenfalls mit der spannungsgesteuerten Stromquelle 450 gekoppelt ist. Die VCCS 450, der ODDTA 460 und der NPDTA 470 formen den Treibersignalverlauf (I_out) selektiv basierend auf den Eingangsdatensignalen und den Eingangsspannungssignalen.
Die spannungsgesteuerte Stromquelle (VCCS) 450 umfaßt einen Eingang zum Empfangen des V_bias2-Signals und einen Eingang zum Empfangen des Invers-V_mod2-Signals und einen Eingang, der mit einer Versorgungsspannung 454 gekoppelt ist. Basierend auf diesen Eingaben erzeugt die VCCS 450 I_Source, was eine Gleichstromsumme von I_bias und I_mod darstellt. Der Logisch-1-Pegel des Treibersignalverlaufs (I_out) ist gleich I_Source. Ein Datenpuls in den ODDTA 460 verursacht, daß I_modpulse von I_Source subtrahiert wird, um I_out = I_bias für Logisch-0-Datenbits und I_out = I_bias + I_mod für Logisch-1-Datenbits zu lassen.
Eine Leistungsquelle 480 ist über einen Schalter 484 (z. b. einen FET-Schalter) mit der VCCS 450 gekoppelt. Der Schalter 484 öffnet und schließt selektiv, ansprechend auf das Fehlerabschaltsignal. Wenn der Schalter 484 geschlossen ist, wird das Versorgungsspannungssignal 454 an die VCCS 450 geliefert.
Der ODDTA 460 umfaßt Eingänge zum Empfangen der Differenzdatensignale (DataIn+ und DataIn–) und einen Eingang zum Empfangen des invertierten V_mod2-Signals. Basierend auf diesen Eingaben erzeugt der ODDTA 460 einen Strompuls 464 (d. h. I_modpulse) für jeden Eingangsdatenpuls. Die Amplitude von I_modpulse wird durch eine Referenzspannung eingestellt, die an den V_ref-Eingang geliefert wird. Da die Referenzspannung in diesem Fall gleich dem invertierten V_mod2-Signal ist, entspricht die Amplitude der Strompulse der Amplitude des I_mod-Signals.
Der NPDTA 470 umfaßt Eingänge zum Empfangen der Differenzdatensignale (DataIn+ und DataIn–) und einen Eingang zum Empfangen des V_pkw2-Signals und einen Eingang zum Empfangen des V_pkd2-Signals. Basierend auf diesen Eingaben erzeugt der NPDTA 470 einen Stromübergang für negative Spitzenwertbildung 474 (I_negpeaking oder I_np) für jeden Übergang von einer logischen 1 zu einer logischen 0, die an den DataIn-Pulsen beobachtet wird. Es wird darauf hingewiesen, daß der negative Spitzenwertbildungsstrom I_negpeaking mit der abfallenden Flanke des I_out-Pulses ausgerichtet ist. Die Stromübergänge mit negativer Spitzenwertbildung (I_negpeaking) werden hierin ebenfalls mit I_np bezeichnet. Der negative Spitzenwertbildungsübergang (I_negpeaking) weist eine Stromamplitude (Tiefe) und eine Abfallzeit (Breite) gleich I_pkd bzw. T_pkw auf. Der NPDTA 470 verwendet das V_pkw2-Signal zum Einstellen der Abfallzeit für den negativen Spitzenwertbildungsübergang und das V_pkd2-Signal zum Einstellen der Stromamplitude für den negativen Spitzenwertbildungsübergang.
Zusammengefaßt wird der Strom, der durch ODDTA 460 gesenkt wird, als I_modpulse bezeichnet, und der Strom, der durch den NPDTA 470 gesenkt wird, wird als I_negpeaking oder I_np bezeichnet. Der folgende Ausdruck liefert den Wert des Ausgangsstroms: I_out = I_Source – I_modpulse – I_np.
Ein Datenpuls verursacht, daß I_modpulse I_mod von I_Source subtrahiert, um I_out = I_bias für Logisch-0-Datenbits zu lassen, und um I_out = I_bias + I_mod für Logisch-1-Datenbits zu lassen. Ein Übergang von Eins zu Null verursacht, daß ein I_np-Übergang phasengleich mit dem Übergang von Eins zu Null von I_source subtrahiert wird.
Methodologie
5 ist ein Flußdiagramm, das die Schritte darstellt, die durch den Lasertreiber 100 aus 1 zum Einstellen und Steuern der VCSEL-Treiberparameter gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden. Jeder VCSEL 122 in dem VCSEL-Array 120 wird charakterisiert und die resultierenden Daten werden gespeichert. Die Laser werden dann in das MCFOTM 90 eingebaut. Jeder Sendekanal in der zusammengebauten Einheit wird über die Temperatur charakterisiert, und die resultierenden Daten werden ebenfalls gespeichert. Dann werden die gespeicherten Daten in den nichtflüchtigen Speicher 130 heruntergeladen. Jeder VCSEL wird dann unter Verwendung der gespeicherten Parameter unabhängig programmiert. Die Programmierung wird anfangs nach dem „Einschalten” durchgeführt (z. B. wenn das Modul erstmals in eine Netzwerkvorrichtung installiert wird, wie z. B. einen Router oder einen Schalter) und nachfolgend periodisch während des Betriebs, wie nachfolgend hierin beschrieben wird.
Bei Schritt 500 wird die Spannung über dem Strom (V-I) und die VCSEL-Lichtausgabe über dem Strom (L-I) für jeden Laser (z. B. VCSEL) 122 in dem Array 120 gemessen. Vorzugsweise werden diese Messungen vor der Montage durchgeführt. Die Testausrüstung, wie z. B. ein Agilent 4145 Semiconductor Parameter Analyzer und ein Agilent 8153A Lightwave Multimeter sind bei Agilent Technologies, Inc. erhältlich, und können zum Ausführen der Messungen verwendet werden.
Tabelle 1 stellt exemplarische VCSEL-V-I-Daten und L-I-Daten dar. Diese Daten werden von einem Herstellungstestsystem zum Bestimmen der DAW-Einstellungen zur Verwendung während der I_bias-, I_mod-, I_pkd- und T_pkw-Optimierung verwendet. Die V-I-Daten zeigen den maximalen Strombereich für einen gegebenen VCSEL, um eine maximale VCSEL-Spannung nicht zu überschreiten, die für einen korrekten Schaltungsbetrieb zulässig ist. Sobald das VCSEL-Strommaximum bekannt ist, werden die L-I-Daten zum Berechnen des minimalen VCSEL-Stroms für eine Lichtausgabe und die VCSEL-Steilheitseffizienz (d. h. die Änderung bei der Lichtausgabe bezüglich einer Änderung des Stroms) verwendet. Der zulässige VCSEL-Strombereich und die VCSEL-Steilheitseffizienz, die vorangehend bestimmt wurden, werden dann zum Berechnen der Startpunkte für I_bias, I_mod, I_pkd und T_pkw während der Optimierung verwendet. TABELLE 1

VCSEL-Spannung (V) VCSEL-Strom (mA) VCSEL-Lichtausgabe (mW)

1,49 1,0 0,012

1,67 5,0 1,59

1,80 10,0 4,32

1,92 15,0 6,84
Bei Schritt 504 wird der optische Wechselsignalverlauf für jeden Senderkanal gemessen. Vorzugsweise wird der optische Wechselsignalverlauf jedes Kanals während des Herstellungstests gemessen und die Verhaltensfaktoren durch einen Tester optimiert. Diese Verhaltensfaktoren können das Extinktionsverhältnis (d. h. das Verhältnis der logischen, optischen Leistung Eins zur logischen, optischen Leistung Null), Anstiegs-/Abfallszeiten, Überschwingen, Schwanken (Jitter) und Maskenrand umfassen, sind jedoch nicht auf diese begrenzt. Die Optimierung des optischen Wechselsignalverlaufs verwendet die vorangehend aufgezeichneten, optischen VCSEL-Parameter.
Optische Wechselsignalverlaufseigenschaften werden für jeden VCSEL in dem Sender gemessen. Die I_bias-, I_mod, I_pkd- und T_pkw-DAW-Einstellungen werden um die Startpunkte variiert, bis die optischen Wechselsignalverlaufseigenschaften optimiert sind. Vorzugsweise wird die Optimierung bei ein paar Temperaturwerten durchgeführt. Die optischen Wechselsignalverlaufseigenschaften können das Extinktionsverhältnis (ER; ER = extinction ratio), das das optische Leistungsverhältnis von einem Logisch-1-Bit zu einem Logisch-0-Bit ist, Anstiegszeit, Abfallzeit, Überschwingen und Schwanken (Jitter) umfassen, sind jedoch nicht auf diese begrenzt.
Die optimalen DAW-Einstellungen für I_bias, I_mod, I_pkd und T_pkw werden dann für jeden zulässigen Temperaturwert und jeden Alterungszeitpunkt berechnet und in den nichtflüchtigen Speicher 130 geschrieben. Der nichtflüchtige Speicher (z. B. ein EEPROM) 130 speichert alle der DAW-Einstellungen für I_bias, I_mod, I_pkd und T_pkw, auf die durch Temperatur und Alterungszeitpunkt Bezug genommen wird. Diese adressierbaren DAW-Einstellungen werden dann zum Programmieren des Stromtreibersignalverlaufs jedes VCSEL während des Betriebs verwendet. Das I_bias-DAW-Register speichert z. B. eine Anzahl von 0 bis 2^M (für einen M-Bit-DAW), die zum Erzeugen einer Spannung V_bias am DAW-Ausgang verwendet wird. V_bias wird von der Treibersignalverlaufs-Formgebungsschaltung 238 zum Einstellen des I_bias-Parameters des VCSEL-Treiberstromsignalverlaufs verwendet. Ähnlich werden V_mod, V_pkw und V_pkd durch die anderen DAWs erzeugt.
Bei Schritt 508 werden die DAW-Einstellungen für jeden Kanal bei jedem Temperaturwert und jedem Alterungspunkt optimiert. Die DAWs 234 werden zum Umwandeln der Treiberparameter in analoge Signale verwendet, die von der Treibersignalverlaufs-Formgebungsschaltung (DWSC) 238 zum Erzeugen der Treibersignalverläufe verwendet werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind die DAWs 234 in den Lasertreiber 100 integriert und M Bit breit. Die Anzahl dieser Bit M wird ausgewählt, um eine angemessene Auflösung für jeden der Parameter zu liefern. Es kann z. B. ausgewählt werden, daß M für übliche Implementierungen 6 Bit beträgt.
Bei Schritt 512 wird ein Alterungszählerdivisor (D) ausgewählt. Bei Schritt 520 werden die DAW-Einstellungen (d. h. Treiberparameter) von einem Testsystem z. B. in den nichtflüchtigen Speicher heruntergeladen. Die DAW-Einstellungen werden auf eine solche Weise gespeichert, um das Wiedergewinnen der DAW-Einstellungen durch einen Alterungszählwert, die Temperatur, die Kanalnummer und die DAW-Nummer zu ermöglichen (d. h. die DAW-Einstellungen in dem nichtflüchtigen Speicher sind durch den Alterszählwert, die Temperatur, die Kanalnummer und die DAW-Nummer adressierbar).
Bei Schritt 530 wird der Alterungszählwert gestartet. Bei Schritt 540 werden die Treiberparameter auf einen vorbestimmten Zustand hin von dem nichtflüchtigen Speicher in die Treiberregister (210, 214, 218 und 224) geladen. Der vorbestimmte Zustand kann das Verstreichen von Zeit (z. B. alle 30 Millisekunden) oder eine Unterbrechung für einen Alterungszeitpunkt sein, ist jedoch nicht darauf begrenzt. Es wird darauf hingewiesen, daß der Schritt 540 während des Betriebs des Sendermoduls 90 auftritt.
Bei Schritt 550 wird die Temperatur der integrierten Schaltung des Lasertreibers durch den Temperaturmeßblock (TMB) 334 gemessen. Bei Schritt 545 wird die gemessene Temperatur in eine digitale Form umgewandelt (z. B. ein digital_temp-Signal) und an die Steuerung 200 geliefert. Bei Schritt 560 verwendet die Steuerung 200 die gemessene Temperatur als einen der Eingangsparameter in einem der nachfolgenden DAW-Register-Schreibzyklen zum Aktualisieren der Treiberparameterregister (210, 214, 218 und 224).
Bei Schritt 570 aktualisiert die Steuerung 200 eine Leseadresse zum Wiedergewinnen von Werten für die Treiberparameter. Das Verarbeiten fährt dann mit Schritt 540 fort, wo die Treiberparameterregister mit Werten beschrieben werden, die aus dem nichtflüchtigen Speicher 130 gelesen werden, bei der Adresse, die in Schritt 570 geändert werden kann.
Handhabung unsicherer Stromzustände
6 ist ein Flußdiagramm, das die Schritte darstellt, die von dem Lasertreiber 100 aus 1 durchgeführt werden, um unsichere Stromzustände gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zu erfassen und zu verwalten. Nach Schritt 520 aus 5 werden die Schritte, die unten zum Erfassen und Verwalten unsicherer Stromzustände beschrieben werden, durchgeführt. Bei Schritt 610 wird der Strom, der durch jeden VCSEL fließt, gemessen. Bei dem Entscheidungsblock 620 wird eine Bestimmung durchgeführt, ob der gemessene Strom größer als ein vorbestimmter, sicherer Strom ist. Wenn der gemessene Strom großer ist als ein vorbestimmter, sicherer Strom, wird der Ausgangsstrom des Lasertreibers 100 bei einem konstanten, minimalen Strom gegehalten, gleich einem minimalen I_bias plus einem minimalen I_mod. Ansonsten springt das Verarbeiten wieder zurück zu Schritt 610, wenn der gemessene Strom nicht größer ist als ein vorbestimmter, sicherer Strom.
Bei dem Entscheidungsblock 640 wird eine Bestimmung durchgeführt, ob ein gültiges Neustartsignal (z. B. ein tx_enable-Signal) durch den Lasertreiber 100 empfangen wurde. Wenn ein gültiges Neustartsignal (z. B. ein tx_enable-Signal) von dem Lasertreiber 100 empfangen wurde, fährt das Verarbeiten mit dem Schritt 650 fort. Bei Schritt 650 wird der TMB 334 und das Altersregister 280 zum Erzeugen einer Adresse basierend auf einem Temperaturwert und einem Alterswert verwendet. Wie bereits erwähnt wurde, ist der nichtflüchtige Speicher 130 durch Alterszählung, Temperatur, Kanalnummer und DAW-Nummer adressierbar. Das Verarbeiten fährt dann mit Schritt 540 aus 5 fort, wo die Treiberparameterregister mit den Werten geladen werden, die aus dem nichtflüchtigen Speicher 130 gelesen werden.
Ansonsten fährt das Verarbeiten mit Schritt 630 fort, wo der Lasertreiber 100 in dem Minimal-Ausgangsstromzustand bleibt, wenn ein gültiges Neustartsignal (z. B. ein tx_enable-Signal) von dem Lasertreiber 100 nicht empfangen wurde.
Das digitale Steuerverfahren und die digitale Steuereinrichtung zum Treiben der Halbleiterlaser der vorliegenden Erfindung wurde in Verbindung mit einem VCSEL-Array beschrieben. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß das digitale Steuerverfahren und die digitale Steuereinrichtung zum Treiben von Halbleiterlasern für andere Anwendungen hilfreich sind, immer wenn ein Treiberstrom zum Treiben einer beliebigen Art von Halbleiterlaser gebraucht wird. Das digitale Steuerverfahren und die digitale Steuereinrichtung für Halbleiterlaser der vorliegenden Erfindung ist besonders hilfreich für Anwendungen, die Temperaturschwankungen über Arrayelemente aufweisen und trotzdem ein gleichmäßiges Verhalten über die Elemente in dem Array erfordern. Das digitale Steuerverfahren und die digital Steuereinrichtung für Halbleiterlaser der vorliegenden Erfindung ist ferner hilfreich für Anwendungen, deren Lichtausgang dazu neigt, im Lauf des Betriebslebens schlechter zu werden. Das digitale Steuerverfahren und die digitale Steuereinrichtung für Halbleiterlaser der vorliegenden Erfindung ist besonders hilfreich für Anwendungen, die vom Programmieren von Wechselsignalparametern profitieren können.

Claims

Optischer Sender, der folgende Merkmale aufweist: ein Array (120), das mindestens einen Halbleiterlaser (122) aufweist; einen nichtflüchtigen Speicher (130) zum Speichern von Treibersignalverlaufsparametern; und eine Treiberschaltung (100), die mit dem nichtflüchtigen Speicher (130) und dem Array (120) gekoppelt ist, zum Empfangen von Datensignalen (110) und mindestens einem Treibersignalverlaufsparameter, und ansprechend darauf zum Erzeugen von mindestens einem Treibersignalverlauf zum Treiben des Halbleiterlasers (122); wobei in dem nichtflüchtigen Speicher (130) berechnete optimale Werte für den mindestens einen Treibersignalverlaüfsparameter für jeden zulässigen Temperaturwert und Alterungszeitpunkt des Arrays (120) gespeichert sind; wobei die Treiberschaltung (100) mindestens einen Treibersignalverlaufsparameter während des Betriebs des Senders basierend auf einem Alterungsfaktor des Arrays (120) und einem Temperaturfaktor des Arrays aktualisiert, indem sie auf einen der Werte in dem nichtflüchtigen Speicher (130) durch Temperatur und Alterung Bezug nimmt und diesen zur Aktualisierung verwendet; und basierend auf dem aktualisierten Treibersignalverlaufsparameter einen aktualisierten Treibersignalverlauf erzeugt.
Optischer Sender gemäß Anspruch 1, bei dem das Array (120) eine Mehrzahl von Halbleiterlasern (122) umfasst; und bei dem die Treiberschaltung (100) die Treibersignalverlaufsparameter für jeden Halbleiterlaser (122) zum Erhöhen der Einheitlichkeit der resultierenden, optischen Signalverläufe der Halbleiterlaser individuell programmiert.
Optischer Sender gemäß Anspruch 2, bei dem die Treiberschaltung (100) die Gleichsignaleigenschaften für jeden Halbleiterlaser (122) in dem Array (120) individuell bestimmt, die Wechselsignaleigenschaften für jeden Halbleiterlaser (122) in dem Array (120) individuell bestimmt und einen Treibersignalverlauf (112) für jeden Halbleiterlaser basierend auf den Gleichsignaleigenschaften und Wechselsignaleigenschaften für diesen Halbleiterlaser erzeugt.
Optischer Sender gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Treiberschaltung (100) eine integrierte, digitale Steuerung (200) und einen Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur der Treiberschaltung umfasst; und wobei die integrierte, digitale Steuerung (200) die Treibersignalverlaufsparameter basierend auf der Temperatur der Treiberschaltung (100) selektiv aktualisiert.
Optischer Sender gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Treiberschaltung eine integrierte, digitale Steuerung (200) umfasst, die eine Zeitgeberfunktion zum periodischen Anpassen von mindestens einem Treibersignalverlaufsparameter zum Ausgleichen der Alterung des Halbleiterlasers aufweist.
Optischer Sender gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Array (120) ein 1 × N-Array von Halbleiterlasern (122) ist.
Optischer Sender gemäß Anspruch 6, bei dem der Halbleiterlaser ein Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser (VCSEL) ist.
Optischer Sender gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der mindestens eine Treibersignalverlaufsparameter mindestens einen von einem Vorspannungsstromparameter, Modulationsstromparameter, negativen Spitzenwertbildungstiefenparameter und negativen Spitzenwertbildungsdauerparameter für jeden Halbleiterlaser (122) in dem Array (120) umfasst.
Lasertreiber (100) zum Erzeugen von Treibersignalverläufen, der ein Array (120) mit mindestens einem Halbleiterlaser (122) treibt, der folgende Merkmale aufweist: eine digitale Steuerung (200), die in den Lasertreiber integriert ist; wobei die digitale Steuerung (200) mindestens einen Parameter, der dem Treibersignalverlauf zugeordnet ist, anfänglich programmiert und während des Betriebs des Treibers selektiv einstellt; eine nichtflüchtige Speicherschnittstelle (230), die mit einem nichtflüchtigen Speicher (130) zum Speichern von Treibersignalverlaufsparametern verbunden ist, und wobei die die nichtflüchtige Speicherschnittstelle (230) mit der digitalen Steuerung (200) gekoppelt ist; wobei der Lasertreiber (100) vorgesehen ist zum Empfangen von Datensignalen (110) und mindestens einem der Treibersignalverlaufsparameter, und ansprechend darauf zum Erzeugen von mindestens einem Treibersignalverlauf zum Treiben des Halbleiterlasers (122); wobei in dem nichtflüchtigen Speicher (130) berechnete optimale Werte für den mindestens einen Treibersignalverlaufsparameter für jeden zulässigen Temperaturwert und jeden Alterungszeitpunkt des Arrays (120) gespeichert sind; wobei der Lasertreiber (100) mindestens einen Treibersignalverlaufsparameter während des Betriebs des Senders basierend auf einem Alterungsfaktor des Arrays (120) und einem Temperaturfaktor des Arrays (120) aktualisiert, indem er auf einen der Werte in dem nichtflüchtigen Speicher (130) durch Temperatur und Alterung Bezug nimmt und diesen zur Aktualisierung verwendet; und basierend auf dem aktualisierten Treibersignalverlaufsparameter einen aktualisierten Treibersignalverlauf erzeugt.
Lasertreiber (100) gemäß Anspruch 9, wobei der Lasertreiber zum Treiben eines einzelnen Vertikalresonatoroberflächenemissionslasers (VCSEL) oder eines Arrays von Vertikalresonatoroberflächenemissionslasern (VCSEL) geeignet ist.
Lasertreiber (100) gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10, bei dem die Treibersignalverlaufsparameter mindestens einen Gleichsignalparameter und mindestens einen Wechselsignalparameter umfassen.
Lasertreiber (100) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die Treibersignalverlaufsparameter einen der folgenden Werte umfassen: Vorspannungsstrom, Modulationsstrom, negative Spitzenwertbildungstiefe und negative Spitzenwertbildungsdauer.
Lasertreiber (100) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, der ferner folgende Merkmale aufweist: einen Digital-zu-Analog-Wandler (234) zum Empfangen der Treibersignalverlaufsparameter in digitaler Form und ansprechend darauf zum Erzeugen der Treibersignalverlaufsparameter in analoger Form; und eine Signalverlaufs-Formgebungsschaltung (238) zum Empfangen der Treibersignalverlaufsparameter in analoger Form, und ansprechend darauf, zum Erzeugen eines Treibersignalverlaufs, der von den Treibersignalverlaufsparametern abhängig ist.
Verfahren zum Bereitstellen eines Treibersignalverlaufs für ein Array (120), das mindestens einen Halbleiterlaser (122) aufweist, in einem Lasertreiber (100), der eine integrierte Steuerung (200) aufweist, wobei in einem nichtflüchtigen Speicher (130) berechnete optimale Werte für mindestens einen Treibersignalverlaufsparameter für jeden zulässigen Temperaturwert und jeden Alterungszeitpunkt des Arrays (120) gespeichert sind und wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Aktualisieren des mindestens einen Treibersignalverlaufsparameters während des Betriebs des Lasertreibers (100) basierend auf einem Alterungsfaktor des Arrays (120) und einem Temperaturfaktor des Arrays (120), indem auf einen Wert in dem nichtflüchtigen Speicher (130) durch Temperatur und Alterung Bezug genommen wird und dieser Wert zur Aktualisierung verwendet wird, und Erzeugen eines aktualisierten Treibersignalverlaufs basierend auf dem aktualisierten Treibersignalverlaufsparameter.
Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem die Treibersignalverlaufsparameter einen der folgenden Werte umfassen: Vorspannungsstrom, Modulationsstrom, negative Spitzenwertbildungstiefe und negative Spitzenwertbildungsdauer.