DE2414850A1

DE2414850A1 - Vorrichtung zum modulieren des ausgangs eines halbleiterlasers

Info

Publication number: DE2414850A1
Application number: DE2414850A
Authority: DE
Inventors: Takao Ito; Takeshi Ozeki
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1973-03-27
Filing date: 1974-03-27
Publication date: 1974-10-03
Also published as: DE2414850C3; US3925735A; DE2414850B2; JPS49122990A; GB1436652A

Description

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Dr. F. Zumsteln sen. - Dr. E. Assmann Dr. R. Koenlgsberger - DIpl.-Phys. R. Holzbauer - Dr. F. Zumsteln Jun.

PATENTANWÄLTE

TELEFON: SAMMEL-NR. 225341 TELEX 529979 8 MÜNCHENS. TELEGRAMME: ZUMPAT BRÄUHAUSSTRASSE A POSTSCHECKKONTO: MÜNCHEN 91139-809. BLZ 7001OO80 BANKKONTO: BANKHAUS H. AUFHÄUSER

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Case 48P741-03
3/By.

TOKYO SHIBAURA ELECTRIC CO., LTD., Kawasaki-shi, Japan

Vorrichtung zum Modulieren des Ausgangs eines Halbleiterlasers

Die Erfindung betrifft einen Modulator für einen Halbleiterlaser und insbesondere eine Vorrichtung zum Modulieren des Ausgangs des Lasers mit Hilfe von an den Halbleiterlaser angelegten Impulscodemodulations(PCM)-Stromimpulsen.

Ein Halbleiterlaser zeichnet sich durch seine leichte Modulation aus. Oft tritt jedoch der sog. PCM-Mustereffekt auf, bei dem sich die modulierten Ausgangswellenformen eines Halbleiters voneinander in Abhängigkeit von der Kombination von "1" und "Ö" bei den vorhergehenden Bits im PCM-Strom (PCM-Codemuster) unterscheiden.

Der PCM-Mustereffekt wird von der Schwingungsverzögerungszeit, dem Vorpumpen infolge der vorhergehenden Bitströme, der Anregung einer gedämpften Schwingung usw. beeinflusst.

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Es ist bekannt, das die Schwingungsverzögerungszeit dadurch herabgesetzt werden kann, dass dem Halbleiter ein Vorgleichstrom geliefert wird.- Vom Standpunkt der Zuverlässigkeit ist es jedoch nicht wünschenswert, dem Laser einen Vorstrom auch während der Zeit zu liefern, während der eine Schwingung des Lasers nicht erforderlich ist und damit die mittlere Stromstärke des Lasers zu erhöhen. Versuche haben gezeigt, dass der erforderliche Vorgleichstrom bei der PCM-Strommodulation bei einer Bitfolgegeschwindigkeit von 200 Mb/s im Bereich zwischen 1/2 und 1/3 des Schwingungsschwellenstromes liegt, wodurch die Lebensdauer des Lasers verringert wird. Die Anregung einer gedämpften Schwingung ändert sich ebenfalls mit einem sich ändernden Vorstrom.

Wenn die Bitfolgegeschwindigkeit des PCM-Stromes nahezu der spontanen Lebensdauer der Ladungsträger entspricht, bleiben die bei den vorhergehenden Bits angeregten Ladungsträger erhalten, so dass die tatsächliche Anregung aufgrund der vorhergehenden Bits erfolgt. Diese Erscheinung wird allgemein der Vorpumpeffekt genannt, der in starkem Masse das.Auftreten des PCM-Mustereffektes, insbesondere eines doppelten Halbleiterlasers, beeinflusst. Infolge der relativ langen spontanen Lebensdauer der Ladungsträger (etwa 5 ns) des doppelten Halbleiterlasers ändert sich der Anfangszustand der Trägerdichte bei jedem Bit in Abhängigkeit von der Kombination von "1" und "O" bei den vorhergehenden Bits. Als Folge davon ändert sich der Anregungszustand jedes Bits entsprechend den unterschiedlichen vorhergehenden Bitmustern, so dass sich die Amplitude und die Phase des Laserausgangs ändern.

Es ist daher das Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung zum Modulieren eines Halbleiterlasers zu liefern, durch die der PCM-Mustereffekt ohne Verwendung eines Vorgleichstromes oder lediglich mit einem Vorgleichstrom geringer Stromstärke herabgesetzt werden kann.

Dazu wird bei der erfindungsgemässen Vorrichtung zum Modulieren

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eines Halbleiterlasers die logische Kombination wenigstens eines vorhergehenden Bits und eines nachfolgenden Bits abgefragt, ein Kompensationsimpuls erzeugt, wenn das nächfolgende Bit einen Modulationsimpuls auf .hält und das vorhergehende Bit einen vorgewählten logischen Zustand aufweist, und werden ein Treiber stromimpuls, der einen Modulationsstromimpuls enthält, und ein Kompensationsstromimpuls, die einander überlagert sind, an den Halbleiterlaser abgegeben.

Eine einheitliche Ladungsträgerdichte während des Zeitabschnittes jedes Bits, in dem ein Modulationsstromimpuls auftritt, kann dadurch erhalten werden, dass die Amplitude und die Phase des Kompensationsstromimpulses bezüglich des PCM-Stromimpulses geregelt wird,, wodurch der PCM-Mustereffekt herabgesetzt wird.

Wenn die Bitfolgegeschwindigkeit des PCM-Stromes mit der spontanen Lebensdauer der Ladungsträger vergleichbar ist, d.h. bis zu 200 Mb/s beträgt, dann müssen Kompensationsimpulse nur in Übereinstimmung mit dem Zustand eines vorhergehenden Bits erzeugt werden, was durch die Verwendung einer einfachen logischen Schaltung möglich ist.

Solange die Anregung der Ladungsträger ausreichend ist, erübrigt sich ein Vorgleichstrom, wodurch die thermische Belastung des Lasers verringert wird.

Im folgenden werden beispielsweise bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung zum Modulieren eines Halbleiterlasers.

Fig. 2 zeigt verschiedene Wellenformen zur Erläuterung

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der Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 4 zeigt verschiedene Wellenformen zur Erläuterung der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung.

Im folgenden wird eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung zum Modulieren eines Halbleiterlasers anhand von Fig. 1 näher erläutert. Ein PCM-Signal oder ein codiertes Impulssignal A mit einer Bitdauer T wird um TT₁ (T/2 <rj < T) durch eine Verzögerungsschaltung 1 verzögert. Eine bekannte Verzögerungs-Flip-Flop-Schaltung 2 empfängt das PCM-Signal A und das Ausgangssignal B der Verzögerungsschaltung 1, zwischen denen ein Phasenunterschied besteht, als Tastsignal und als Eingangssignal jeweils und erzeugt ein Ausgangssignal C. Durch eine UND-Schaltung 3, die das Tastsignal und das Ausgangssignal C der Flip-Flop-Schaltung 2 empfängt, werden Kompensationsspannungsimpulse D erzeugt. Die Kompensationsspannungsimpulse D werden an die Basis eines Transistors 4 gelegt und das PCM-Signal wird über eine Verz .gerungsschaltung 5 an die Basis eines Transistors 6 gelegt. Die Kollektoren der Transistoren 4 und stehen mit der Kathode einer Laserdiode oder eines doppelten Heterojunktions-GaAlAs-Laser 7 in Verbindung, dessen Anode geerdet ist. Die Emitter der Transistoren 4 und 6 sind mit einer negativen Spannungsquelle (-V) über Widerstände 8 und 9 gekoppelt.

Im folgenden wird anhand der in Fig. 2 dargestellten Wellenformen die Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten Modulationsvorrichtung beschrieben. Die Verzögerungs-Flip-Flop-Schaltung 2 variiert den Pegelzustand des Ausgangssignals Q gegenüber dem des Eingangssignals synchron mit der ansteigenden Flanke eines Tastimpulses. Angenommen, dass das Eingangssignal B wie dargestellt einen "0"-Pegel aufweist, bekommt das Ausgangssignal C

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(S) der Flip-Flop-Schaltung 2 den "1"-Pegel synchron mit der ansteigenden Flanke des ersten Impulses des PCM-Signals A als Tastsignal.

An der ansteigenden Flanke des zweiten Impulses des Tastsignals A befindet sich das Eingangssignal B auf dem "O"-Pegel, so dass der Zustand des Ausgangssignal C (δ) der Verzögerungs-Flip-Flop-Schaltung 2 unverändert bleibt. An der ansteigenden Flanke des dritten Impulses des Tastsignals A befindet sich das Eingangssignal B auf dem "1"-Pegel, so dass der Zustand des Ausgangs Q der Verzögerungs-Flip-Flop-Schaltung vom "1"-Pegel auf den "O"-Pegel verschoben wird. Dieser Ausgangszustand wird so lange beibehalten, bis das Eingangssignal B an der ansteigenden Flanke des Tastimpulses den "O"-Pegel bekommt, d.h. bis zur ansteigenden Flanke des fünften Impulses, wie es in der Fig. 2 dargestellt ist. Dementsprechend werden Ausgangssignale mit der in der Zeichnung durch C bezeichneten Wellenform von der Flip-Flop-Schaltung 2, die das Tastsignal A und das Eingangssignal · B empfängt, abgegeben. Eine Kompensationsimpulskette D wird durch die Lieferung des Tastsignals A und des Ausgangssignals C der Flip-Flop-Schaltung 2 zu einer UND-Schaltung 3 erzeugt.

Der Kompensationsimpuls entspricht in diesem Falle dem nachfolgenden Modulationsimpuls bei einem- vorhergehenden "O"-Bit im PCM-Signal. Das heisst im einzelnen, dass der logische Zustand zweier benachbarter Bits im PCM-Signal verglichen wird, um immer dann einen Kompensationsimpuls zu erzeugen, wenn das vorhergehende Bit eine "O"-Bit und das nachfolgende Bit ein ¹¹1 "-Bit ist.

Das PCM-Signal A wird durch die Verzögerungsschaltung 5 um T*p verzögert und dann der Basis des Transistors 6 geliefert. Als Folge davon fliesst der mit E bezeichnete Modulationsstromimpuls durch den Kollektor des Transistors 6. Da ein Vergleichsimpuls D an der Basis des Transistors 4 liegt, fliesst ebenfalls der mit

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F bezeichnete Kompensationsstromimpuls durch den Kollektor des Transistors 4. Dementsprechend fliessen ein Treiberstrom G, der den Modulationsstromimpuls E enthält, und der Kompensationsstromimpuls F, die einander überlagert sind, durch die Laserdiode 7. Damit ergibt sich ein Verlauf der Dichte der Ladungsträger wie er in Fig. 2 mit H bezeichnet ist, sowie der mit I bezeichnete Verlauf des modulierten Laserausgangssignals,ohne dass irgendeine Änderung sowohl in der Amplitude als auch der Phase zu beobachten ist.

Durch eine Einstellung der Emitterwiderstände 8,.9 der in Fig.1 dargestellten Transistoren 4 und 6 kann jede Amplitude des Kompensationsstromimpulses und des Modulationsstromimpulses erhalten werden. Der optimale Phasenunterschied zwischen dem Kompensationsstromimpuls und dem Modulationsstromimpuls kann dadurch erreicht werden, dass die Verzögerungszeit der Verzögerungsschaltung 5 eingestellt wird.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird immer dann ein Kompensationsimpuls erzeugt, wenn von zwei benachbarten Bits das vorhergehende ein "O"-Bit und das nachfolgende ein "1»-Bit ist, d.h. immer dann, wenn die logische Kombination "01" erhalten wird. Es ist jedoch nicht immer notwendig, immer bei einer Kombination "01" einen Kompensationsimpuls zu erzeugen, was Jedoch von den Eigenschaften des Lasers, insbesondere von der Schwingungsverzögerungszeit.und/oder der Bitfolgegeschwindigkeit des PCM-Signals abhängt. In manchen Fällen ist es erforderlich, dass beispielsweise immer bei logischen Kombinationen "001" oder "0001^Ir ein Kompensationsimpuls erzeugt wird.

Fig. 3 zeigt eine Ausfükrungsform der Erfindung, bei der Kompensationsimpulse unter Berücksichtigung der logischen Zustände mehrerer Bits des PCM-Signals erzeugt werden. Bei dieser Ausführungsform ist ein Schieberegister 10 vorgesehen, das aus η in Kaskade geschalteten Stufen von 1-Bit-Schieberegisterelementen 10-1, 10-2, 10-n besteht, um nacheinander die lo-

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gischen Zustände von η Bits des PCM-Signals zu speichern. Jedes der Schieberegisterelemente besteht aus einem Verzögerungs-Flip-Flop. Jede Stufe liest das PCM-Signal oder das Ausgangssignal Q der vorhergehenden Stufe synchron mit dem Taktimpulssignal, das gegenüber dem PCM-Signal infolge der Verzögerungsschaltung 11 einen bestimmten Phasenunterschied aufweist. Der Ausgang Q jeder Stufe zeigt den logischen Zustand jedes Bit im PCM-Signal an, wohingegen der Ausgang Q den entgegengesetzten logischen Zustand repräsentiert. Der Ausgang Ö. der ersten Stufe 10-1 des Schieberegisters 10 ist direkt mit einer NOR-Gatterschaltung 14 gekoppelt. Der Ausgang CL der zweiten Stufe 10-2 ist über einen Inverter 12 mit der NOR-Gatterschaltung 14 gekoppelt. Die Ausgänge Q der nachfolgenden Stufen 10-3, ..·· 10-n sind über NOR-Gatterschaltungen 13₁, .,· , 13_n_₂ jeweils mit der NOR-Gatterschaltung 14 verbunden. Die anderen Eingänge der NOR-Gatterschaltung 13-|» , ¹3_n-2 ^sind über Schalter S₁, ,

S ρ geerdet. Wenn die Schalter geöffnet sind, wie es in Fig.3 dargestellt ist, betätigen sie die entsprechende NOR-Gatterschal tung, so dass diese ein invertiertes Ausgangssignal Q des Q-Ausgangssignals der entsprechenden Stufe erzeugt, das dem anderen Eingang jeder NOR-Gatterschaltung geliefert wird. Wenn die Schalter geschlossen sind, erzeugen die NOR-Gatterschaltungen ein bestimmtes Ausgangssignal, in dieser Ausführungsform ein "0"-Ausgangssignal, unabhängig von dem Ausgangssignal Q jeder Stufe. Die Schalter S^, , S_n_₂ und damit die NOR-Gatterschaltungen 13^, , 13_n_2» ^sind nicht immer erforderlich.

Wenn die Kombination von "1" und "0" von η Bits des PCM-Signals berücksichtigt werden muss, müssen die Ausgänge Q der dritten Stufe und der nachfolgenden Stufen ebenso wie der Ausgang Sp der zweiten Stufe 10-2 lediglich über einen Inverter mit der NOR-Gatterschaltung 14 gekoppelt sein.

Mit der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform, die mit NOR-Gatterschaltungen 13-j, .·.., 13_n_2 ^und· Schaltern S^, , S

versehen ist, ist die Auswahl einer Anzahl von in Betracht zu ziehenden Bits d< s PCM-Signals möglich. Wenn beispielsweise bei

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einer logischen Korabination "01" von zwei benachbarten·Bits Kompensationsimpulse erzeugt werden sollen, müssen nur alle Schalter geschlossen werden. Wenn Kompensationsimpulse bei der logischen Kombination von drei benachbarten Bits, d.h. bei "001" erzeugt werden soll, muss nur der erste Schalter S^ geöffnet werden und müssen die restlichen Schalter geschlossen werden.

Die Ausgangssignale der NOR-Gatterschaltung 14, d.h. die Kompensationsimpulse, werden an die Basis eines Transistors 15 gelegt. Das PCM-Signal liegt an den Basen der Transistoren 16, 17 und 18 über eine Verzögerungsschaltung 19. Die Kollektoren der Transistoren 15i 16, 17 und 18 stehen mit der Kathode einer Laserdiode 20 in Verbindung und ihre Emitter sind mit einer negativen Energiequelle über Emitterwiderstände verbunden.

Der Vorgang der Erzeugung von Kompensationsimpulsen bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform wird anhand der in Fig. 4 dargestellten Wellenformen im folgenden in dem Fall beschrieben, in dem das Schieberegister 10 aus drei Stufen besteht. Es wird angenommen, dass das PCM-Signal die gleiche Bit-Folgegeschwindigkeit wie das Taktimpulssignal hat und dass diese zwei Signale gleichphasig sind, wie es in der Figur dargestellt ist. Das Taktimpulssignal wird durch eine Verzögerungsschaltung 11 verzögert, so daß es/einen bestimmten Phasenunterschied zum PCM-Signal bekommt. Die erste Stufe 10-1 des Schieberegisters 10 liest den logischen Zustand des PCM-Signal synchron mit der ansteigenden Flanke des Taktimpulssignales C^ und erzeugt die in der Figur dargestellten Ausgangssignale GL und Q₁. Das Ausgangssignal Q^ von der ersten Stufe 10-1 wird um eine Bitdauer des Taktimpulssignales verzögert und in die zweite Stufe synchron mit dem Taktimpulssignal Cp eingelesen oder eingeschoben. Die zweite Stufe 10-2 erzeugt die dargestellten Ausgangssignale Qp und Qp. Das Ausgangssignal Qp von der zweiten Stufe 10-2 wird in die dritte Stufe 10-3 synchron mit dem Taktimpulssignal C, geschoben, so dass die dritte

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Stufe 10-3 die dargestellten Ausgangssignale GU und CU erzeugt. Der logische Zustand dreier benachbarter Bits des PCM-Signals wird im Schieberegister 10 gespeichert. Wenn sich das Ausgangssignal Q₁ der ersten Stufe 10-1 im "1"-Zustand bei einer 3-Bit-Kombination "001" befindet, dann repräsentieren die Ausgangssignale Q₂ und Q, der zweiten und dritten Stufe 10-2 und 10-3 jeweils den Zustand "0". Dementsprechend repräsentieren die Ausgangssignale Q₁, Q₂ und GU der drei Stufen 10-1, 10-2 und 10-3 jeweils "0", "1" und "1". Wenn der Schalter SW₁ geöffnet ist, befinden sich die Eingangssignale A, B und C, die an die NOR-Gatterschaltung 14 gelegt werden, alle im Zustand "0", wodurch ein Kompensationsimpuls erzeugt wird. Wenn sich das Eingangssignal C im Falle der logischen Kombination "101" dreier benachbarter Bits im "1"-Zustand befindet, erzeugt die NOR-Gatter schaltung keinen Kompensationsimpuls. Das heisst, dass bei geöffnetem Schalter S₁ nur dann ein Kompensationsimpuls erzeugt wird, wenn das nachfolgende Bit ein "1"-Bit ist und die zwei vorhergehenden Bits beide "O"-Bits sind, wie es in Fig. 4 dar-· gestellt ist.

Wenn der Schalter SW₁ geschlossen ist, befindet sich das Ausgangssignal C im "O"-Zustand, da ein "1"-Eingangssignal immer der NOR-Gatterschaltung 13.· geliefert wird. Bei einer logischen Kombination von drei benachbarten Bits, beispielsweise einer Kombination "001" oder "101" kommen die Eingangssignale A, B und C der NOR-Gatterschaltung 14 alle in den "O"-Zustand, wodurch ein Kompensationsimpuls erzeugt wird. Das heisst, dass bei geschlossenem Schalter SW₁ ein Kompensationsimpuls immer bei einer logischen Kombination "01" zweier benachbarter Bits erzeugt wird.

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Claims

Patentansprüche

Λ J Vorrichtung zum Modulieren des Ausgangs eines Halbleiteria- · sers mit Hilfe von an den Halbleiterlaser gelegten codierten .Modulationsstromimpulsen, gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung zum Abfragen der logischen Kombination eines nachfolgenden Bits und wenigstens eines vorhergehenden Bits im codierten Modulationssignal, die einaaKompensationsimpuls erzeugt, wenn das nachfolgende Bit einen Modulationsimpuls hält und wenigstens ein vorhergehendes Bit sich in einem vorgewählten logischen Zustand befindet, und durch eine zweite Einrichtung, codierte Modulationsstromimpulse an den Halbleiterlaser zu legen, die eine Einrichtung umfasst, dem Laser einen Stromimpuls mit einem dem Modulationsimpuls des nachfolgenden Bits überlagerten Kompensationsimpulses zu liefern, wenn der Kompensationsimpuls erzeugt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines bestimmten Phasenunterschiedes zwischen dem Kompensationsimpuls und dem Modulationsimpuls des nachfolgenden Bits.
3. Vorrichtung nach .Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Einrichtung einen Schaltkreis, der so geschaltet ist, dass er das codierte Modulationsimpulssignal und ein Tastimpulssignal empfängt, die einen bestimmten Phasenunterschied aufweisen, und den Ausgangszustand synchron mit dem Tastimpuls ändert, wenn das nachfolgende Bit des codierten Modulationsimpulses einen Modulationsimpuls aufweist und das vorhergehende Bit sich in einem vorgewählten logischen Zustand befindet, und eine logische Schaltung umfasst, die so geschaltet ist, dass sie das Ausgangssignal des Schaltkreises und das Tastimpulssignal empfängt, um den Kompensationsimpuls zu erzeugen.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkreis einen Verzögerungs-Flip-Flop enthält.
5. Vorrichtung nach .Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Einrichtung ein Schieberegister, das so geschaltet ist, dass es das codierte Modulationsimpulssignal und ein Taktimpulssignal empfängt/und eine Anzahl von in. Kaskade geschalteten Stufen aufweist, um nacheinander die logischen Zustände einer Anzahl von Bits im codierten Modulationsimpulssignal synchron mit den Taktimpulssignalen zu speichern, und eine logische Schaltung umfasst, die auf die Ausgangssignale der jeweiligen Stufen des Schieberegisters anspricht, um einen Kompensationsimpuls zu erzeugen, wenn sich das Ausgangssignal der ersten Stufe des Schieberegisters, die den logischen Zustand des nachfolgenden Bits speichert und das Ausgangssignal wenigstens einer vorhergehenden Stufe des Schieberegisters, die den logischen Zustand wenigstens eines vorhergehenden Bits speichert, in einem bestimmten logischen Zustand befinden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass das Schieberegister aus einer Anzahl von in Kaskade geschalteten Verzögerungs-Flip-Flops besteht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schieberegister wenigstens drei Stufen aufweist,und die logische Schaltung eine Einrichtung aufweist, die sie veranlasst, den Kompensationsimpuls dann zu erzeugen, wenn sich die Ausgangssignale von wenigstens zwei benachbarten Stufen einschliesslich der ersten Stufe des Schieberegisters unabhängig vom logischen Zustand des Ausgangssignals wenigstens einer den zwei benachbarten Stufen folgenden Stufe in bestimmtem logischen Zustand befinden.

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