DE10238044A1

DE10238044A1 - Anordnung zur Übertragung von elektrischen Datensignalen

Info

Publication number: DE10238044A1
Application number: DE2002138044
Authority: DE
Inventors: Christian Doebler; Bjoern Dr. Heppner; Alexander Matinez-Mateos; Stefan Dr. Voll
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Xieon Networks SARL
Priority date: 2002-08-20
Filing date: 2002-08-20
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2022-08-21
Also published as: DE10238044B4

Abstract

Die Übertragung erfolgt mittels einer einen Laser aufweisenden optischen Sendeeinrichtung, die da elektrische in ein optisches Datensignal wandelt, eines Lichtwellenleiter, der zum einen mit der optischen Sendeeinrichtung verbunden ist und zum anderen mit einem optischen Empfänger, der das optische Datensignal in ein elektrisches Datensignal umwandelt und an seinem Ausgang abgibt. Dabei ist der Laser als oberflächenemittierender Laser bzw. Vertical Cavity Surface Emitting Laser ausgebildet und wird direkt durch einen Logik-Schaltkreis angesteuert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Übertragung von elektrischen Datensignalen nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Elektrische Verbindungen zur Informationsübermittlung in oder zwischen Einrichtungen, Geräten oder Schaltschränken von Übertragungssystemen werden zunehmend durch optische Übertragungen ersetzt.
Dabei weisen optische Verbindungen zwei wesentliche Nachteile auf. Zum einen der hohe Preis und zum anderen die hohe Verlustleistung, welche die Integrationsdichte optischer Baugruppen limitiert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine optische Verbindungseinheit so zu verbessern, dass sowohl der Kostenaufwand als auch die Verlustleistung vergleichsweise gering gehalten werden können.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Anordnung nach Anspruch 1 gelöst.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Verwendung von oberflächenemittierenden Lasern, die direkt durch einem Logikschaltkreis angesteuert werden, eine kostengünstige Möglichkeit für eine optische Datenübertragung gefunden wurde, die eine vergleichsweise niedrige Verlustleistung aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein gleichspannungsgekoppelter Empfänger verwendet. Dadurch sind auf der Sendeseite weitere Einsparungen möglich, beispielsweise entfällt ein Scrambler oder Codierer.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Dabei zeigt:
1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung.
2 ein Blockschaltbild eines Teiles einer optischen Sendeeinrichtung.
3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Teiles einer optischen Sendeeinrichtung.
1 zeigt schematisch eine einen Laser LD aufweisende optische Sendeeinrichtung TX, der ein elektrisches Sendedatensignal ESDS an ihrem Eingang ETX zugeführt wird. In der Sendeeinrichtung TX wird das elektrische Sendedatensignal ESDS mittels des Lasers LD in ein optisches Sendedatensignal OSDS gewandelt und an dessen Ausgang ATX an einen Lichtwellenleiter LWL abgegeben. Dieser Lichtwellenleiter LWL überträgt das optisches Sendedatensignal OSDS zu einem optischen Empfänger RX, dem es als optisches Empfangsdatensignal OEDS an seinem Eingang ERX zugeführt wird. Der optische Empfänger RX wandelt das optische Empfangsdatensignal OEDS, beispielsweise mit Hilfe einer Fotodiode FD, in ein elektrisches Empfangsdatensignal ESDS, welches an dessen Ausgang ARX abgegeben wird.
Dabei ist der optische Empfänger RX beispielsweise als gleichspannungsgekoppelter Empfänger RX ausgeführt. Dies bedeutet, das lange Null- oder Einsfolgen mit einem dementsprechenden Gleichspannungsanteil ausgewertet werden können. Dadurch können sendeseitig Einrichtungen zur Vermeidung von Gleichanteilen, wie beispielsweise Scrambler oder Codierer, entfallen. Scrambler bzw. Codierer werden üblicherweise zur Vermeidung von langen Null- oder Einsfolgen während der Datenübertragung eingesetzt.
Ein gleichspannungsgekoppelter Empfänger hat den Vorteil, dass sendeseitig ein Scrambler bzw. Codierer entfallen kann, was zu einer sendeseitigen Kostenreduzierung führt.
Ebenso lassen sich mit dieser Kombination nichtparitätische Codes übertragen, d.h. Codes mit einer ungleichen Null- zu Einsverteilung.
Ist der optische Empfänger nicht als gleichspannungsgekoppelter Empfänger ausgeführt, sollte das Datensignal sendeseitig mit einer Einrichtung zur Vermeidung langer Null- bzw. Einsfolgen, wie beispielsweise einem Scrambler oder Codierer, verändert werden, um Bitfehler durch lange Null- oder Einsfolgen beim Empfang zu vermeiden.
Durch den nicht gleichspannungsgekoppelter Empfänger reduzieren sich die empfangsseitigen Kosten. Auf der Sendeseite erhöhen sich die Kosten durch den Aufwand für die Einrichtung zur Vermeidung von Gleichanteilen, wie Scrambler oder Codierer.
Wird ein paritätischer Datencode verwendet, kann ein nicht gleichspannungsgekoppelter Empfänger eingesetzt werden, da die Anzahl der Nullen und Einsen im wesentlichen gleich ist. Ein Scrambler bzw. weiterer Codierer könnte dann entfallen.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Teiles der optische Sendeeinrichtung RX. Dargestellt ist ein Logik-Schaltkreis LGS, der mit einem ersten Pol U1 und einem zweiten Pol U2 einer nicht dargestellten Versorgungsspannung verbunden ist.
Der Logik-Schaltkreis LGS weist wenigstens einen Eingang E und wenigstens einen Ausgang A1 auf. Der Ausgang A1 des Lo gikschaltkreises LDS, im Beispiel ist ein invertierender Ausgang A1 dargestellt, ist einerseits mit einer Serienschaltung eines Widerstandes R1 und einer Laserdiode LD verbunden, wobei die Laserdiode LD mit einem Pol, im Beispiel mit dem ersten Pol U1, der Versorgungsspannung verbunden ist.
Andererseits ist der Ausgang A1 mit einer Stromquelle I verbunden, die ihrerseits wiederum mit dem anderen Pol der Versorgungsspannung, im Beispiel mit dem zweiten Pol U2, verbunden ist.
Die Laserdiode LD ist erfindungsgemäß als oberflächenemittierende Laserdiode bzw. Vertical Cavity Surface Emitting Laser, kurz VCSEL, ausgebildet. Sie wird direkt durch den Logik-Schaltkreis LGS angesteuert.
Bei VCSEL Laserdioden liegt der Laserschwellstrom bei etwa 1...2mA. Das heißt, ab diesem Strom fängt die VCSEL Laserdiode zu "lasern" an, also Laserlicht abzugeben.
Durch die Kopplung mit einer Stromquelle, die den Ruhestrom, auch Bias genannt, bzw. den Arbeitspunkt bestimmt, ergibt sich die Möglichkeit, die Laserdiode direkt mit einem Logik-Schaltkreis anzusteuern. Dabei wird beispielsweise der Arbeitspunkt bzw. Bias bei etwa 4mA eingestellt. Dadurch ist mit etwa 4mA Stromhub ein Aus- und Einschalten der Laserdiode möglich.
Unter Verwendung von Logik-Schaltkreisen des Low Voltage Differential Signaling Standard, kurz LVDS, läßt sich dieser Stromhub von etwa 4mA direkt mittels des Logik-Schaltkreises erreichen. Dabei ist der Pegel für Low üblicherweise bei etwa 1V und für High bei etwa 1,4V. Durch den Spannungsunterschied bzw. Spannungshub von 0,4V bzw. 400mV erreicht man bei einem Wirkwiderstand von 1000hm einen Stromhub von 4mA. Dadurch kann man bei einem Arbeitspunkt von 4mA mit einem Hub von 4mA zwischen etwa OmA und 8mA schalten, d.h. die Laserdiode entsprechend aussteuern. In der Praxis wird der Ruhestrom für den Zustand Low nie ganz OmA betragen, sondern bei etwa 1mA bzw. entsprechend unter dem Laserschwellstrom der Laserdiode liegen.
Ebenso ist denkbar auch im Low-Zustand etwas Laserlicht auszusenden und die Laserdiode zwischen einem ersten niedrigen und einem zweiten höheren ausgesendeten optischen Signalpegel umzuschalten. Dann liegt der Strom durch die Laserdiode LD für den Low-Pegel über der Laserschwelle, d.h. es wird auch im Low-Zustand Licht ausgesendet.
Der Arbeitspunkt bzw. Stromhub ist dann entsprechend höher oder niedriger einzustellen. Beispielsweise liegt der Arbeitspunkt bei 5mA und der Stromhub des Logikschaltkreises LGS bei 4mA, d.h. beim Pegel "Low" fließen 1mA durch die Laserdiode und beim Zustand "High" 9mA. Wenn die Laserstromschwelle unter 1mA liegt, wird hier im Zustand "Low" ein geringes optisches Signal ausgesendet.
Entsprechend der Laserstromschwelle der Laserdiode und der Steilheit der Laserdiode, d.h. dem Verhältnis von Laserstrom zu ausgesendetem optischen Licht, erfolgt die Einstellung und Dimensionierung der Schaltung. Gegebenenfalls müssen Laserdioden mit einem passenden Laserschwellstrom und einer passenden Steilheit zum erreichbaren Schaltpegel des Logikschaltkreises ausgewählt werden, damit beim High-Pegel genügend Licht ausgesendet wird.
Ebenso ist gegebenenfalls eine Anpassung der Versorgungsspannungen von Laserdiode und Logik-Schaltkreis erforderlich, um die gewünschten Ströme und optischen Pegel zu erreichen.
Bei üblichen Laserdioden liegt der Arbeitspunkt bzw. Bias bei etwa 20mA, so dass der Logik-Schaltung ein Treiber bzw. Verstärker nachgeschaltet werden muss.
Die direkte Ansteuerung der oberflächenemittierenden Laserdiode durch den Logik-Schaltkreis erweist sich als besonders vorteilhaft, da in der Sendeeinrichtung keine weiteren Treiber- bzw. Verstärkerschaltungen notwendig sind. Durch den geringen Bias von 4mA reduziert sich die Verlustleistung der gesamten Schaltung, so dass ein kompakterer Aufbau möglich ist. Die Treiberschaltung einer konventionellen optischen Verbindung ist üblicherweise die hauptsächliche Quelle von Verlustleistung in der Sendeeinrichtung.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch Verwendung von Complementary Metal Oxide Semiconductor Schaltkreisen, kurz CMOS-IC genannt. Diese Technology ist seit langem bekannt, verfahrenstechnisch gut beherrschbar und kostengünstig verfügbar. Zudem unterstützt sie den LVDS-Standard.
In Zusammenhang mit den VCSEL Lasern, die sehr kostengünstig produziert und in Gehäuse verpackt werden können, ergibt sich damit ein günstiger Aufbau einer optischen Sendeeinrichtung. VCSEL Laser können in der Fertigung schon auf dem Wafer, d.h. vor dem Brechen des Wafers in einzelne Chips, getestet werden. Zum anderen ist aufgrund des kreisförmigen Strahlprofils des VCSEL Laser eine einfache Einkopplung des emittierten Lichts in eine Faser bzw. einen Lichtwellenleiter möglich. Dadurch sind geringere Fertigungstoleranzen erforderlich.
Damit ist ein integrierter Aufbau von CMOS-IC und VCSEL-Laser realisierbar, der durch die geringe Gesamtverlustleistung erleichtert wird.
3 zeigt eine Ausführungsform eines Teiles der optischen Sendeeinrichtung RX. Dargestellt ist ein Logik-Schaltkreis LGS, der mit einem ersten Pol U1 und einem zweiten Pol U2 einer nicht dargestellten Versorgungsspannung verbunden ist. Der Logik-Schaltkreis LGS weist im Beispiel wenigstens einen Eingang E und zwei Ausgänge A1 und A2 auf. Der Ausgang A1 ist der invertierende und der Ausgang A2 der nichtinvertierende Ausgang des Logik-Schaltkreises LGS.
Der nichtinvertierende Ausgang A2 ist über einen Widerstand R2 mit einem Pol der Versorgungsspannung verbunden, im Beispiel mit dem zweiten Pol U2 der Versorgungsspannung. Der invertierende Ausgang A1 des Logikschaltkreises LDS ist zum einen mit einer Serienschaltung eines Widerstandes R1 und einer Laserdiode LD verbunden, wobei die Laserdiode LD mit einem Pol der Versorgungsspannung, im Beispiel mit dem ersten Pol U1, verbunden ist. Andererseits ist der Ausgang A1 mit einer Stromquelle I verbunden. Diese besteht aus einer Serienschaltung einer frequenzkompensierenden oder wellenwiderstandsanpassenden Komponente, im Beispiel einer Induktivität L, die mit dem Kollektor eines Transistors T verbunden ist, dessen Emitter mit einem temperaturabhängigen Widerstandes NTC verbunden ist, der andererseits mit dem anderen Pol der Versorgungsspannung, im Beispiel mit dem zweiten Pol U2, verbunden ist. Der temperaturabhängige Widerstand NTC muss dabei kein Einzelwiderstand sein, sondern kann weitere fest- oder einstellbare Widerstände umfassen. Im Beispiel ist eine Parallelschaltung eines temperaturabhängigen Widerstandes NTC mit einem festen Widerstand R3 gezeigt. Auch eine Serienschaltung oder eine Kombination ist denkbar. Die Basis des Transistors T ist mit dem Mittelpunkt eines Spannungsteilers, bestehend aus zwei Widerständen R4 und R5, verbunden. Die Widerstände R4 und R5 sind ihrerseits jeweils mit einem Pol der Versorgungsspannung verbunden. Im Beispiel R4 mit dem ersten Pol U1 der Versorgungsspannung und R5 mit dem zweiten Pol U2 der Versorgungsspannung.
Durch den temperaturabhängigen Widerstand NTC wird der Arbeitspunkt der Laserdiode LD, ein VCSEL Laser, nachgeregelt. Der Abgleich erfolgt beispielsweise dadurch, dass die ausgesendete Lichtleistung bei zwei unterschiedlichen Temperaturen gemessen wird und durch Veränderung der Widerstände R3 und R5 ein konstanter Arbeitspunkt bei beiden Temperaturen eingestellt wird.
Die Stromquelle I oder die Serienschaltung aus Laserdiode LD und Widerstand R1 kann weiterhin frequenzgangkompensierende oder anpassungsverbessernde Mittel, wie Kapazitäten, Induktivitäten oder Widerstände enthalten. Im Beispiel ist eine Induktivität L dargestellt, die einen Signalabfluss und eine Fehlanpassung in Richtung Stromquelle verhindert.
Im Beispiel wird der nichtinvertierende Ausgang A2 des Logik-Schaltkreises LGK über einen Widerstand R2, der als Abschlusswiderstand wirkt, nicht genutzt.

Claims

Anordnung zur Übertragung von elektrischen Datensignalen, mittels einer einen Laser aufweisenden optischen Sendeeinrichtung, die das elektrische in ein optisches Datensignal wandelt, eines Lichtwellenleiter, der zum einem mit der optischen Sendeeinrichtung verbunden ist und zum anderen mit einem optischen Empfänger, der das optische Datensignal in ein elektrisches Datensignal umwandelt und an seinem Ausgang abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser als oberflächenemittierender Laser bzw. Vertical Cavity Surface Emitting Laser ausgebildet ist und direkt durch einen Logik-Schaltkreis angesteuert ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Logik-Schaltkreis als Complementary Metal Oxide Semiconductor Schaltkreis ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Logik-Schaltkreises dem Low Voltage Differential Signaling Standard entspricht.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Empfänger als gleichspannungsgekoppelter Empfänger ausgeführt ist.
Sendeeinrichtung in einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgang des Logik-Schaltkreises zum einem mit einer Reihenschaltung eines Widerstands und des Vertical Cavity Surface Emitting Laser verbunden ist, der andererseits mit einem ersten Pol einer Versorgungsspannung verbunden ist und dass der Ausgang des Logik-Schaltkreises zum anderen mit einer Stromquelle verbunden ist.
Sendeeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle temperaturkompensiert ausgebildet ist.
Sendeeinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle frequenzgang- und/oder anpassungskompensierende Mittel aufweist.
Sendeeinrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle einen Transistor aufweist, dessen Kollektor über eine Induktivität mit dem Ausgang des Logik-Schaltkreises verbunden ist, dessen Emitter über einen temperaturabhängigen Widerstands mit einem zweiten Pol der Versorgungsspannung verbunden ist und dessen Basis mit einem Mittelabgriff eines Spannungsteilers verbunden ist, der aus zwei Teilwiderständen besteht, die jeweils mit dem ersten und dem zweiten Pol der Versorgungsspannung verbunden sind.