DE3337249A1

DE3337249A1 - Lasersender und verfahren zu seinem betrieb

Info

Publication number: DE3337249A1
Application number: DE19833337249
Authority: DE
Inventors: Fridolin Ludwig 18018 Bethlehem Pa. Bosch; Clarence Burke 18103 Allentown Pa. Swan
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1982-10-15
Filing date: 1983-10-13
Publication date: 1984-04-19
Also published as: US4539686A; GB2129204B; GB8327145D0; NL8303546A; CA1214197A; JPS5991746A; FR2534746B1; FR2534746A1; GB2129204A

Description

Lasersender und Verfahren zu seinem Betrieb

Die Erfindung betrifft Lasersender und Verfahren zu ihrem Betrieb.

Bei üblichen Lasersendern, die für Lichtwellenübertragungen benutzt werden, wird der Laser durch eine Kombination aus einem Betriebsgleichstrom, der durch eine Rückkopplungssteuerschaltung eingestellt wird, und eines Modulationsstroms getrieben, der auf dem Eingangsdatensignal beruht (vgl. beispielsweise US-PS 4 009 385). Im normalen Betrieb hält der Betriebsgleichstrom-den Laser dicht unter seinem Laser-Schwellenwert. Der Modulationsstrom wird zum Betriebsgleichstrom so addiert, daß der Laser eingeschaltet wird, wenn ein dem Eingangsdatensignal entsprechender Impuls erscheint. Da der Laser normalerweise ausgeschaltet ist, wird nur minimale Leistung verbraucht. Bei hohen Bitraten treten jedoch Probleme auf, wenn gut geformte optische Impulse mit üblichen Treibschaltungen erreicht werden sollen. Wenn beispielsweise bipolare Siliciumtransistoren bei hohen Bitraten (d.h. typisch 90 Megabit/s oder höher) mit Anstiegszeiten im Subnano-Sekundenbereich eingeschaltet werden, so zeigt der über die Transistoren fließende Strom eine Neigung , den gewünschten Wert im eingeschwungenen Zustand (Ruhezustandswert) für den Anfangsteil des Modulationsimpulses zu überschießen. Dieses überschießen wird im sich ergebenden Laserimpuls reproduziert. Darüberhinaus ergibt sich eine Asymmetrie für die Anstiegs- und Abfallzeit des Stromes, die ebenfalls im Laserimpuls reproduziert wird.

Zur Lösung der sich daraus ergebenden Aufgabe geht die Erfindung aus von einem Lasersender mit einer

ersten Schaltung zur Lieferung eines Betriebsgleichstroms an einen Laser und mit einer zweiten Schaltung, die unter Ansprechen auf ein Eingangsdatensignal einen Modulationsstrom liefert, wodurch der Laser ein moduliertes Ausgangssignal liefert, und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsgleichstrom genügend groß ist, um den Strom über den Laser über den Laser-Schwellenwert zu erhöhen, und daß die zweite Schaltung einen Modulationsstrom entsprechend dem Eingangsdatensignal liefert, derart, daß der Modulationsstrom von dem Betriebsgleichstrom subtrahiert wird, wodurch das Auftreten eines Impulses im Modulationsstrom den Strom über den Laser unter seinen Laserschwellenwert erniedrigt.

Für ein Verfahren zum Betrieb eines Lasersenders, bei dem einem Laser ein Betriebsgleichstrom zugeführt wird und, abhängig von einem Eingangsdatensignal, ein Modulationsstrom zugeführt wird, wodurch der Laser ein moduliertes Ausgangssignal erzeugt, ist die -Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsgleichstrom einen Wert besitzt, der den Laser-Schwellenwert übersteigt, und daß der dem Eingangsdatensignal entsprechende Modulationsstrom von dem Betriebsgleichstrom subtrahiert wird, wodurch der sich ergebende, über den Laser fließende Strom immer dann unterhalb des Schwellenwertes liegt, wenn ein Impuls im Modulationsstrom auftritt.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine typische Kennlinie für den Ausgangslichtstrom eines Lasers, abhängig vom elektrischen Strom ;

Fig. 2"das Schaltbild eines Lasersenders nach

der Erfindung ;

Fig. 3 und 4 schematisch einen Strom von Modulationsstromimpulsen und die entsprechenden Lichtstrom-Ausgangsimpulse.

Es sei darauf hingewiesen, daß zur Erläuterung die vorstehenden Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgerecht gezeichnet sind.

Aus Fig. 1 erkennt man, daß für Ströme unterhalb des Laserschwellenwertes I die Ausgangslichtstärke außerordentlich klein ist und der Laser sich in seinem ausgeschalteten Zustand befindet, in dem er kein Laserverhalten zeigt- Bei Strömen Oberhalb des Schwellenwertes zeigt sich ein scharfes Ansteigen der Ausgangslichtstärke,und der Laser ist eingeschaltet. Bei bekannten Systemen hält ein Betriebsgleichstrom den Laser auf einem Arbeitspunkt dicht unterhalb des Schwellenwertes, und ein Modulationsstrom, der dem Datensignal entspricht, wird dem Betriebsgleichstrom überlagert. Demgemäß bleibt der Laser im ausgeschalteten Zustand, bis ein einer 1 im Datensignal entsprechender Impuls zugeführt wird und den Laser oberhalb seines Schwellenwertes bringt.

Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung haben sich wesentliche Vorteile dadurch ergeben, daß ein Betriebsgleichstrom oberhalb des Laserschwellenwertes zugeführt wird. Ein Modulationsstrom wird von dem Betriebsgleichstrom subtrahiert, so daß der Laser immer dann ausgeschaltet wird, wenn ein einer 1 entsprechender Impuls erscheint. Im anderen Fall bleibt der Laser ausgeschaltet .

Eine Schaltung für einen Laser in einer solchen Betriebsart ist in Fig.2 gezeigt. Die Schaltung wird durch eine Spannung zwischen dem positiven Anschluß 12 und dem negativen Anschluß 16 gespeist, die durch eine übliche Spannungsregelschaltung (nicht gezeigt) geliefert wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel betrug die Spannung etwa 7 V. Der Betriebsgleichstrom I wird dem Laser 10 durch eine Gleichstromquelle 11 zugeführt, die zwischen den positiven Anschluß 12 und den positiven Anschluß (p-Seite) des Lasers geschaltet ist. Die Betriebsgleichstromquelle kann irgendeine übliche Konstantstromquelle sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel war ein pnp-Transistor 24 mit seinem Kollektor in Reihe mit einer Drossel 14 mit einer Induktivität von etwa 30 μΗ geschaltet. Der Betriebsgleichstrom betrug bei dem Ausführungsbeispiel etwa 60 mA. Die Drossel war so ausgelegt, daß sie eine hohe Impedanz nur bei

hohen Frequenzen besaß, um Verluste bei hochfrequenten Komponenten des für den Laser vorgesehenen Modulations Stroms zu vermeiden. Demgemäß bringt die Drossel Verzerrungen des Modulationsstroms auf ein Minimum, kann aber weggelassen werden, wenn der Transistor 24 eine ausreichend hohe Impedanz besitzt.

Der verwendete Laser war ein üblicher Mesa-geätzter Laser mit vergrabener HeteroStruktur, der ein n-leitendes Substrat aus InP, eine aktive Zone aus InGaAsP und eine p-leitende InGaAsP-Deckschicht besaß. Die Erfindung läßt sich jedoch auf andere Halbleiterlaser anwenden.

In bekannter Weise kann eine Rückkopplungssteuerschaltung 13 an die Betriebsgleichstromquelle angeschaltet werden, um den Betriebsgleichsstrom so einzustellen, daß Änderungen des Schwellenwertes während des Betriebs des Lasers kompensiert werden. Die spezielle, hier verwendete Schaltung mißt das Ausgangslicht der Rückseite des Lasers und vergleicht es mit dem Eingangsda-t-ensignal. Die Differenz zwischen dem Mittelwert des Laserausgangslichts und dem Mittelwert der Eingangsdaten über eine gewählte Zeitspanne bestimmt die Höhe der Kompensation. (Für eine-genauere Erläuterung einer üblichen Rückkopplungsschaltung wird auf die vorgenannte US-PS 4 009 385 verwiesen.) Die Art der benutzten Rückkopplungsschaltung wird bei Anwendung der vorliegenden Erfindung nicht für kritisch gehalten.

Der Modulationsstrom I_MOn wird durch eine weitere Konstantstromquelle 15 geliefert, die zwischen den negativen Anschluß 16 und den Emitter von npn-Transistoren 17 und 18 geschaltet ist. Wiederum kann die Konstantstromquelle irgendeine übliche Schaltung sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde ein npn-Transistor 25 benutzt, dessen Emitter in Reihe mit einem Widerstand R» geschaltet ist, und der einen Strom von etwa 40 mA liefert. Dieser Strom wird durch die an den Anschluß 26 und die Basis des Transistors 25 angelegte Gleichspannung gesteuert. Bei diesem Ausführungsbeispiel betrug R- 20 Ohm und die angelegte Spannung etwa 1,5 V.

Der Kollektor des Transistors 18 ist mit der

p-Seite des Lasers und der Kollektor des Transistors 1 7 über einen Widerstand R₁ mit dem positiven Anschluß 12 verbunden. Der Eingangsdatenimpulsstrom wird über den Anschluß 19 an die Basis des Transistors 18 geliefert, während das komplementäre Signal (DATA) dem mit der Basis des anderen Transistors 17 verbundenen Anschluß 20 zugeführt ist.

Die η-Seite des Lasers ist mit einer Konstantspannungsquelle 2 7 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Konstantspannungsquelle einen pnp-Transistor 21 auf, dessen Emitter mit dem Laser, dessen Basis mit einem Anschluß 22 und dessen Kollektor über den Widerstand R₃ mit dem negativen Anschluß 16 verbunden ist. Eine Bezugsgleichspannung von etwa 2,5 V lag bei dem Ausführungsbeispiel an der Basis an, um die η-Seite des Lasers 10 auf einer Konstantspannung von etwa 3,3 V zu halten. Der Widerstand R, ist vorgesehen, um bequem den >Sesamtgleichstrom über den Laser überwachen zu können, und kann weggelassen werden. Bei diesem Beispiel hatte.-de^--Widerstand R^ einen Wert von etwa 5 Ohm. Eine Elektrode eines Kondensators 23 war ebenfalls an die η-Seite des Lasers 10 angeschaltet.

Die andere Elektrode des Kondensators war geerdet. Der Kondensator dient zur Ableitung von hochfrequenten Komponenten.

Der der p-Seite des Lasers 10 zugeführte Betriebsgleichstrom war groß genug, bei diesem Ausführungsbeispiel etwa 60 mA , um den Laser über seinen Schwellenwert zu bringen und ihn im eingeschalteten Zustand ohne ein Signal von der Modulationsstromquelle zu halten. Bei den meisten Anwendungen ist es zweckmäßig, den Laser mit wenigstens 10 mA und vorzugsweise 30 bis 40 mA oberhalb seines Schwellenwertes zu betreiben. Bei angelegtem Eingangsdatensignal bleibt der Transistor 18 nichtleitend, solange nur 0-Werte erscheinen, und demgemäß wird kein Modulationsstrom dem Laser bis zum Zeitpunkt t.. in Fig. 3 zugeführt.

Stattdessen ist der Transistor 17, da das komplementäre Signal ihm zugeführt ist, leitend gemacht worden, und zwar wegen der hohen Spannung an seiner■Basis, und der Modulationsstrom ist vom Anschluß 12 über den Widerstand R₁ zum

Anschluß 16 geführt worden. Immer dann, wenn eine 1 in den Daten auftritt, beispielsweise zum Zeitpunkt t.. , reicht die der Basis des Transistors 18 zugeführte Vorspannung aus, um den Transistor 18 leiten zu lassen, so daß ein Strom I_M0D vom Laser 10 weg über den Transistor 18 zum Anschluß 16 geführt wird. Die Richtung des Stroms ist demgemäß so, daß der Modulationsstrom vom Betriebsstrom I

Jj J. Au

gemäß Fig. 3 subtrahiert wird. Da der sich ergebende Strom über den Laser 10 unterhalb des Schwellenwertes liegt, wird der Laser in seinen Aus-Zustand mit niedrigem Ausgangssignal gemäß Fig. 4 umgeschaltet. Immer dann, wenn der Modulationsimpuls verschwindet, kehrt der Laser in seinen eingeschalteten Zustand zurück, beispielsweise zum Zeitpunkt t.. (Zar Erläuterung ist eine Folge von abwechselnden 1- und O-Werten in den Fig. 3 und 4 gezeigt.)

Entsprechend Fig. 3 hat, wenn der Transistor 18 mit hoher Geschwindigkeit eingeschaltet wird, der Modulationsimpuls I_Mnn die Neigung, zu .Anfang die gewünschte Amplitude zu überschießen (typisch um einen Wert von etwa 10 bis 30 %), und er benötigt eine gewisse Zeit (etwa 3 ns), um sich auf seinen Dauerwert einzustellen. Bei typischen bekannten Schaltungen würde dieses überschießen im allgemeinen auch in dem sich ergebenden Lichtimpuls erscheinen. Entsprechend Fig. 4 tritt jedoch keine wesentliehe Verzerrung des Lichtimpulses auf, da der Laser bei Anlegen des Modulationsimpulses in seinen Aus-Zustand umgeschaltet wird. Es wurde festgestellt, daß das Überschießen nicht in den Lichtimpulsen erscheint, so lange der Modulationsimpuls den Strom über den Laser auf einen Wert unterhalb des Schwellenwertes bringt, der in diesem Beispiel 23 mA beträgt.

Ein weiteres vorteilhaftes Ergebnis bei dem beschriebenen Betriebsverfahren ist der Umstand, daß die Ausschalt- und Einschaltzeiten für das Licht (t₂-t. und t.-t₃) im wesentlichen gleich sind (d.h. eine Differenz von nicht mehr als 0,2 ns haben). Bei einem typischen bekannten Verfahren ist die Einschaltzeit kürzer als die Ausschaltzeit (d.h. die Differenz beträgt typisch 0,7 ns). Dies läßt

sich durch die Tatsache erklären, daß das Einschalten des Modulationsstroms tendenziell schneller ist als das Ausschalten und daß das Einschalten des Laserlichts vom Schwellenwert aus ebenfalls tendenziell schneller ist als die Geschwindigkeit des Lichtausschaltens. Beim vorliegenden Verfahren ist das schnelle Einschalten des Modulationsstroms dem langsameren Ausschalten des Lasers zugeordnet, und das langsamere Ausschalten des Stromes dem schnelleren Lichteinschalten des Lasers. Demgemäß haben die Lichtimpulse die Tendenz, symmetrischer zu sein.

Die Erfindung läßt sich mit Vorteil bei Lasersendern anwenden, bei denen der Laser mit Bitraten von 90 Megabit/s oder höher betrieben wird. Die Erfindung ist besonders zweckmäßig bei Bitraten von 2 74 Megabit/s oder höher.

Die Erfindung kann jedoch auch zweckmäßig bei Bitraten unterhalb 90 Megabit/s sein, wenn der Amplitudenpegel des Modu- ? lationsstroms eine Wortmuster-Abhängigkeit oder Störspitzen

zeigt. -

Es sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung in gleicher Weise Vorteile mit sich bringt, wenn das Eingangssignal DATA dem Anschluß 19 und das Eingangssignal DATA dem Anschluß 20 zugeführt werden. Dies führt zu Ausgangslichtimpulsen immer dann, wenn ein Dateneingangssignal 1 auftritt, und zu fehlenden Lichtausgangsimpulsen, wenn ein Dateneingangssignal 0 vorhanden ist. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel bringt der Modulationsstrom den Laser weiterhin von einem Betrieb oberhalb des Schwellenwertes auf einen Betrieb unterhalb des Schwellenwertes, aber der Modulationsstrom wird durch das Signal DATA gesteuert. Es sei daher darauf hingewiesen, daß der hier verwendete Ausdruck "Modulationsstrom entsprechend dem Eingangsdatensignal" ein Modulationsstrom proportional dem Datensignal selbst oder einer Funktion des Datensignals, beispielsweise DATA sein kann.

Ein Nachteil der Erfindung ist der höhere Leistungsverbrauch dadurch, daß der Laser im allgemeinen eingeschaltet gehalten wird. Nimmt man jedoch ein Tastverhältnis von 50 % an, so bedeutet dies, daß nur ein zusätzlicher

Strom von 1/2 I_MOD erforderlich ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ergibt sich mit einer Stromquelle von 7 V und I_MOD = 40 mA ein zusätzlicher Leistungsverbrauch von etwa 140 mW, der mit Bezug auf die verbrauchte Gesamtleistung (etwa 800 mW) unwesentlich ist.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Verwendung von Anschlüssen entsprechend Fig. 2 in erster Linie schematisch ist, da die Schaltung nach der Erfindung nach den meisten Fällen Teil einer integrierten Schaltung sein wird.

Die Anschlüsse bedeuten daher elektrische Verbindungen zu anderen Teilen der Schaltung, die die entsprechenden Spannungen den so identifizierten Teilen der vorliegenden Schaltung zuführen.

Es sei außerdem darauf hingewiesen, daß durch Umkehr aller in Fig. 2 dargestellten Polaritäten die Modulationsstromquelle und die Betriebsstromquelle auch an die η-Seite des Lasers angekoppelt wer.den. ..können. Das wichtige Kriterium besteht darin, daß I_BIA<5 ^{und 1}MOD ^{unterscniedlicne} Richtungen mit Bezug auf den Laser haben, so daß der letztgenannte Wert von dem erstgenannten Wert subtrahiert wird.

Man beachte, daß übliche Feldeffekttransistoren anstelle der bipolaren Transistoren in den beschriebenen Strom- und Spannungsquellen benutzt werden können. Außerdem kann eine zusätzliche Rückkopplungsschaltung vorgesehen sein, um I_Mr.~ ebenso wie I_n-,-,.,, zu steuern, falls gewünscht. Der hier verwendete Ausdruck "Schaltung" soll außerdem breit genug sein, um keine Stromquelle erforderlich zu machen.

Claims

Western Electric Company Incorporated New York N. Y. 10038, USA

Bosch. F.L. 3-9

Patentansprüche

M J Lasersender mit einer ersten Schaltung zur Lieferung eines Betrxebsgleichstroms an einen Laser und mit einer zweiten Schaltung, die unter Ansprechen auf ein Eingangsdatensignal einen Modulationsstrom liefert, wodurch der Laser ein moduliertes Ausgangssignal liefert, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsgleichstrom (I_n _) genügend groß ist, um den

ij J. Ao

Strom über den Laser (10) über den Laser^Schwellenwert zu erhöhen,

und daß die zweite Schaltung (15, 17, 18) einen JModulationsstrom (I) entsprechend dem Eingangsdatensignal liefert, derart, daß der Modulationsstrom von dem Betriebsgleichstrom subtrahiert wird, wodurch das Auftreten eines Impulses im Modulationsstrom den Strom über den Laser unter seinen Laser-Schwellenwert erniedrigt.
2. Schaltung nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schaltung eine Konstantstromquelle (11) mit einem Transistor (24) und einer in Reihe geschalteten Induktivität (14) enthält.

Sonnenberger Strafje 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 4186237 Telegramme Patentconsult

Radedcestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 5212313 Telegramme Patentconsult

Telefax (CCITT 2} Wiesbaden und MUnchen (089) 8344618 Attention Patentconsult
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schaltung eine Rückkopplungssteuerschaltung (13) zur Einstellung der Höhe des Betriebsgleichstroms während des Betriebs des Lasers enthält.
4. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schaltung eine Konstantstromquelle (15) enthält, die gemeinsam an die Emitter eines Paares bipolarer Transistoren (17, 18) angeschaltet ist, daß der Kollektor eines der Transistoren mit dem Laser (10) verbunden ist, daß die Basis eines der Transistoren das Eingangsdatensignal (DATA INPUT) aufnimmt und daß der Basis des anderen Transistors das Komplement (DATA INPUT) des Eingangsdatensignals zugeführt ist.
5. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Konstantspannungsquelle (2 7)-von-der Schaltung zur Lieferung des Betriebsgleichstroms aus an entgegengesetzte Seiten des Lasers angeschaltet ist.
6. Schaltung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantspannungsquelle einen Transistor (21) enthält, und daß der Transistor in Reihe mit einem Widerstand (R-.) geschaltet ist. 7. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator (23) an den Laser angeschlossen ist, um hochfrequente Komponenten des Stroms abzuleiten.
8. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schaltung so ausgelegt ist, daß sie mit einer Bitrate von wenigstens 90 Megabit/s betrieben werden kann.
9. Verfahren zum Betrieb eines Lasersenders, bei dem einem Laser ein Betriebsgleichstrom zugeführt wird und, abhängig von einem Eingangsdatensignal, ein Modulationsstrom zugeführt wird, wodurch der Laser ein moduliertes Ausgangssignal erzeugt,
dadurch gekennzeichnet, daß

der Betriebsgleichstrom (I_BIAS) einen Wert besitzt, der den Laser-Schwellenwert übersteigt,und daß der dem Eingangsdatensignal entsprechende Modulationsstrom (I) von dem Betriebsgleichstrom subtrahiert wird, wodurch der sich ergebende, über den Laser fließende Strom immer dann unterhalb des Schwellenwertes liegt, wenn ein Impuls im Modulationsstrom auftritt.
10. Verfahren nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet, daß der Laser mit einer Bitrate von wenigstens 90 Megabit/s betrieben wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderflanke der Modulationsstromimpulse die Dauerwertamplitude der Impulse übersteigt, daß aber die optischen Ausgangsimpulse im wesentliehen frei von einer Änderung der Daueramplitude sind.
12. Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anstiegs- und Abfallzeit der optischen Ausgangsimpulse im wesentlichen gleich sind.