DE69608932T2

DE69608932T2 - Spannungsgeregelte Laserdioden-Treiberschaltung

Info

Publication number: DE69608932T2
Application number: DE69608932T
Authority: DE
Inventors: Hiroki Yanagisawa
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1995-07-28
Filing date: 1996-07-26
Publication date: 2001-02-01
Anticipated expiration: 2016-07-27
Also published as: EP0756362B1; JPH0945979A; DE69608932D1; US5736844A; EP0756362A1; JP2735042B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laserdioden- Treiberschaltung und insbesondere auf eine Laserdiodentreiberschaltung, die es ermöglicht, daß eine Laserdiodentreiberstromquelle von außerhalb der Treiberschaltung an- /ausgesteuert werden kann.
Ein optisches TDMA-(Time Division Multiple Access; zeitgeteilter Mehrfachzugriff)- oder ein TCM-(Time Kompression Multiplex; zeitkomprimiertes Multiplexen)-Benutzersystem sowohl wie andere Systeme verwenden eine optische Übermittlungsschaltung zum Übertragen von Burstsignalen. Da diese Art von optischen Übermittlungsschaltungen im allgemeinen lange Zeitspannen ohne Signal umfassen, d. h. Zeitspannen ohne Emission, wird ein Laserdiodentreiberstrom während dieser Zeitspannen ohne Signal manchmal unterbrochen. Auch ist es erforderlich, den Treiberstrom in Übereinstimmung mit der Umgebungstemperatur zu steuern, um zu verhindern, daß die optische Ausgangsleistung fluktuiert. In dieser Weise muß der Treiberstrom an-/ausgesteuert werden und sein Wert muß in Übereinstimmung mit den Benutzungsbedingungen und den Umgebungsbedingungen gesteuert werden.
Andererseits ist es manchmal wünschenswert, eine konventionelle optische Übermittlungsschaltung für kontinuierliche Signale, im Unterschied zu Burstsignalen, direkt bei einer Laserdiodentreiberschaltung anzuwenden. In einem solchen Fall wird eine exklusive Steuerschaltung den oben genannten Schaltungen zugefügt, um den Treiberstrom zu steuern. Beispielsweise hat ein optischer Transmitter, der für die Mi niaturisierung ausgelegt ist, manchmal eine Laserdiodentreiberschaltung und eine Laserdiode, die in einem einzelnen Paket eingebaut sind, und eine Treiberstromsteuerschaltung, die als eine separate IC (Integrierte Schaltung) zusammen mit anderen digitalen Schaltungen ausgebildet ist. Bei dieser Konfiguration ist es erforderlich, den Treiberstrom von außerhalb der Laserdiodentreiberschaltung zu steuern.
Bei einer Laserdiodentreiberschaltung ist es eine allgemeine Praxis, eine Außentreiberstromsteuerschaltung zu verwenden, die aus einem Transistor und einer Konstantstromquelle aufgebaut ist. Die konventionelle Steuerschaltung verwendet ein Stromsignal zum Steuern des Wertes eines Treiberstroms zum Treiben einer Laserdiode und zur Ein-/Aussteuerung der Oszillation der Laserdiode. Insbesondere ist die Laserdiode oder die Lichtemissionsvorrichtung zwischen den Kollektor des Transistors und eine Versorgungsquelle geschaltet. Ein Differenzpaar steuert den Treiberstrom mit seinem Emitterstrom. Die Amplitude eines Pulsstroms ist normalerweise durch den Emitterstrom des Transistors bestimmt.
Die konventionelle Laserdiodentreiberschaltung mit dem obenstehenden Aufbau verursacht jedoch Überschwingungen beim Übergang des Stromsignalverlaufs vom Aus-Zustand in den Ein-Zustand. Dieses Überschwingen vergrößert die Eingangs-Ausgangsimpedanz zwischen der Laserdiodentreiberschaltung und der Steuerschaltung. Als Ergebnis ist die Treiberschaltung anfällig für Rauschen, das beispielsweise dem Umdrehen eines Taktsignals zuzuschreiben ist.
Desweiteren treten Überschwingungen auch in dem optischen Ausgangssignalverlauf beim Übergang des Treiberstroms vom Auszustand in den Einzustand auf. Um dieses obengenannte Problem zu lösen, ist es erforderlich, daß das Verdrahtungsmuster der Laserdiodentreiberschaltung und der Steuer schaltung mit größter Sorgfalt ausgelegt wird. Dies beschränkt die Freiheit in der Ausgestaltung der Schaltung.
Eine Treiberschaltung gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2 ist in Patents Abstracts of Japan, Band 95, Nr. 006 und in JP-A-0715-4016 offenbart.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine spannungsgesteuerte Laserdiodentreiberschaltung zu schaffen, die eine Laserdiode genau und stabil treiben kann.
Spannungsgesteuerte Laserdiodentreiberschaltungen gemäß der Erfindung sind in den Ansprüchen 1 bzw. 2 definiert.
Die Treiberschaltung umfaßt einen Differenzverstärker zum Liefern eines Pulssignals an eine Laserdiode, einen Transistor zum Liefern eines Treiberstroms an die Laserdiode und einen Operationsverstärker. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist mit der Basis des Transistors über einen Emitterfolger verbunden. Der Emitter des Transistors ist mit einem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden. Ein Steueranschluß ist zum Steuern einer Spannung vorgesehen, die an einen nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers angelegt wird.
Da die Treiberschaltung den Treiberstrom Iop über den Emitterfolger unter Verwendung eines Spannungssignals steuert, kann der Strom Iop genau und stabil ein-/ausgesteuert werden, selbst von außerhalb der Treiberschaltung, ohne durch Rauschen oder die Verdrahtungsmusterkapazität beeinflußt zu werden.
Die obere und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm einer konventionellen Laserdiodentreiberschaltung,
Fig. 2 ein Schaltungsdiagramm einer spannungsgesteuerten Laserdiodentreiberschaltung gemäß der Erfindung,
Fig. 3 Signalverläufe für ein Laserdiodentreibersignal entsprechend der konventionellen Treiberschaltung und für ein Laserdiodentreibersignal, das mit dem dargestellten Ausführungsbeispiel erhältlich ist.
Fig. 4 ein Blockdiagramm, das schematisch einen speziellen Aufbau eines Burstübermittlungssystems zeigt, bei dem das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anwendbar ist,
Fig. 5 ein Blockdiagramm, das schematisch einen speziellen Aufbau einer Benutzerstation zeigt, die in dem System der Fig. 4 enthalten ist, und
Fig. 6 ein Schaltungsdiagramm, das ein spezielles alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird kurz Bezug genommen auf eine konventionelle Laserdiodentreiberschaltung, die in Fig. 1 dargestellt ist. Zunächst wird der Betrieb der konventionellen Laserdiodentreiberschaltung und der einer Treiberstromsteuerschaltung beschtieben. Wie dargestellt, hat die Laserdiodentreiberschaltung, generell mit 1 bezeichnet, Eingangsanschlüsse DATA-IN(+) und DATA-IN(-), die Signalpulsen bzw. invertierten Signalpulsen zugewiesen sind. Mit Vcc ist eine Versorgungsquelle bezeichnet. Transistoren Q1, Q2 und Q3 bilden zusammen eine Differenzverstärkerschaltung. Die Transistoren Q1 und Q2 führen jeweils den entsprechenden Schaltvorgang in Abhängigkeit von Eingangssignalpulsen durch. Der Transistor Q3 liefert einen Emitterstrom an das Differenzpaar.
Eine. Laserdiode oder Lichtemissionsvorrichtung LD ist zwischen den Kollektor des Transistors Q1 und die Versorgungsquelle Vcc geschaltet. Ein Laserdiodentreiberstrom (Iop) wird durch den Emitterstrom gesteuert, der dem Differenzpaar zugeführt wird. Die Transistoren Q3 und Q4 sind in einer Stromspiegelschaltung konfiguriert.
Ein Signalpuls und ein invertierter Signalpuls, die an den Eingangsanschlüssen DATA-IN(+) und DATA-IN(-) erscheinen, werden an die Basen der Transistoren Q1 und Q2 oder dem Differenzpaar angelegt, wodurch verursacht wird, daß sie Schaltoperationen durchführen. Ein Pulsstrom, der dem Eingangssignal entspricht, wird der Laserdiode LD und einem Widerstand R3 zugeführt, der mit dem Kollektor des Transistors Q2 verbunden ist. Der Pulsstrom hat eine Amplitude, die durch den Emitterstrom des Transistors Q3 bestimmt ist, d. h. den Emitterstrom des Transistors Q4.
Andererseits sind der Kollektor und die Basis des Transistors Q4 mit dem Kollektor eines Transistors Q5 verbunden, der außerhalb der Laserdiodentreiberschaltung 1 vorgesehen ist. Der Emitterstrom des Transistors Q4 wird durch den Kollektorstrom des Transistors Q5 gesteuert. Die Transistoren Q5 und Q6 sind PNP-Transistoren und als Stromspiegelschaltung zusammengesetzt. Der Stromwert einer Konstantstromquelle 2 wird durch einen Steueranschluß 3 bestimmt, wodurch der Stromwert der Transistoren Q5 und Q6 bestimmt wird. Die Transistoren Q5 und Q6 und die Konstantstromquelle 2 bilden eine Iop-Steuerschaltung, die mit der Laserdiodentreiberschaltung 1 verbunden ist. Die Iop- Steuerschaltung steuert den Strom zum Treiben der Laserdiode LD mit einem Stromsignal und schaltet selektiv die Oszillation der Laserdiode LD ein oder aus.
Der Betrieb der in Fig. 1 dargestellten Schaltung wird mit Bezug auf Fig. 3 erläutert. Eine Signalform (a) ist reprä sentativ für das Signal, das am Steueranschluß 3 erscheint. Wie dargestellt, wird der Laserdiodentreiberstrom Iop eingeschaltet, wenn das Signal an dem Steueranschluß 3 auf einem hohen Pegel ist, oder ausgeschaltet, wenn das Signal auf seinem niedrigen Pegel ist. Eine Signalform (b) steht für das Signal, das an dem Eingangsanschluß DATA-IN(+) erscheint, d. h. eine Folge von Bursts. Eine Signalform (c) steht für den Treiberstrom Iop. Wie dargestellt, treten. Überschwingungen bei den Übergängen vom Auszustand in den Einzustand auf. Das Überschwingen resultiert aus der Tatsache, daß, da die Ein-/Aus-Steuerung auf dem Kollektorstrom des Transistors Q5 beruht, eine scharfe Änderung im Strom die Versorgungsquelle Vcc instabil macht und dadurch die Signalform des Treiberstroms Iop instabil macht.
Bei der konventionellen Laserdiodentreiberschaltung ist ihr Treiberstrom Iop durch das Stromsignal gesteuert, das außerhalb der Treiberschaltung erzeugt wird. Somit ist die Eingangs-/Ausgangs-Impedanz zwischen der Laserdiodentreiberschaltung und der Steuerschaltung erhöht. Als Ergebnis ist die Treiberschaltung anfällig gegen Rauschen, das beispielsweise dem Umdrehen des Taktsignals zuzuschreiben ist.
Desweiteren treten Überschwingungen auch in der Lichtausgabe-Signalform beim Übergang des Treiberstroms Iop vom Auszustand in den Einzustand auf, wie mit Bezug auf die Signalform (c) der Fig. 3 erwähnt wurde.
Um die obengenannten Probleme zu lösen ist es erforderlich, daß das Verdrahtungsmuster der Treiberschaltung und der Steuerschaltung mit größtmöglicher Vorsicht ausgelegt wird. Dies beschränkt die Freiheit in der Gestaltung der Schaltung.
Bezugnehmend auf Fig. 2 wird eine spannungsgesteuerte Laserdiodentreiberschaltung gemäß der Erfindung beschrieben. Wie dargestellt, umfaßt die Treiberschaltung, generell mit 4 bezeichnet, auch Transistoren Q1, Q2 und Q3, die eine Differenzverstärkerschaltung bilden, wie in der konventionellen Schaltung der Fig. 1. Jeder der Transistoren Q1 und Q2 führt einen Schaltvorgang in Abhängigkeit von den jeweiligen Eingangspulssignalen durch. Der Transistor Q3 liefert einen Emitterstrom an die Transistoren Q1 und Q2. Ein Strom (Iop) zum Treiben einer Laserdiode LD wird durch den Transistor Q3 gesteuert.
Andererseits ist die Basis des Transistors Q3 mit dem Emitter eines Transistors Q7 verbunden, der außerhalb der Treiberschaltung 4 vorgesehen ist. Der Transistor Q7 ist ein Emitterfolger; der Emitterstrom wird durch eine Konstantstromquelle 5 bestimmt. Ein Operationsverstärker OPANP 6 ist mit seinem Ausgang mit der Basis des Transistors Q7 verbunden. Der Ausgang des OP-AMP 6 wird zu dem invertierenden Eingang des Verstärkers 6 über den Emitter des Transistors A7 und den des Transistors Q3 zurückgeführt. Mit diesem Aufbau spielt der OP-AMP 6 die Rolle eines Spannungsfolgers. Ein Steueranschluß 7 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des OP-AMP 6 verbunden. Die Basis des Transistors Q7 steuert ein Spannungssignal in Übereinstimmung mit einer Eingangssignalspannung, die an den Steueranschluß 7 angelegt wird.
Der Betrieb der Steuerschaltung 4 wird beschrieben, erneut bezugnehmend auf die Signalformen (a)-(c) und einer Signalform (d), die in Fig. 3 dargestellt ist. Wenn das Signal (a) an dem Steueranschluß 7 auf seinem hohen Pegel ist, steigt die Emitterspannung des Transistors oder Emitterfolgers Q7 über den OP-AMP oder Spannungsfolger 6. Als Ergebnis wird der Transistor Q3 eingeschaltet und verursacht, daß ein Emitterstrom durch ihn fließt. Der Emitterstrom verursacht das Fließen des Treiberstroms Iop und treibt die Laserdiode LD.
Wenn das Signal (a) auf seinem niedrigen Pegel ist, fällt die Emitterspannung des Transistors Q7 und schaltet den Transistor Q3 aus. Bei dieser Gelegenheit ist der Emitterstrom 0 und verhindert, daß die Laserdiode LD Licht emittiert.
Die Signalform (d) gibt den Treiberstrom Iop an, der mit dem dargestellten Ausführungsbeispiel erzielbar ist. Wie dargestellt, treten keine Überschwingungen selbst bei dem Übergang vom Auszustand in den Einzustand auf. Dies ergibt sich, weil die Ein-/Aus-Steuerung auf der Ausgabe des Transistors oder Emitterfolgers Q7 basiert. Insbesondere weil die Impedanz, gesehen von der Seite des Transistors Q3, ausreichend gering ist, beeinträchtigt ein Wechsel in dem Steuersignalpuls die Versorgungsquelle Vcc oder den Treiberstrom Iop nicht. Somit kann die Laserdiode LD ein stabiles optisches Signal ausgeben.
Selbst wenn das Signal an dem Steueranschluß 7 in analoger Weise wie während der Temperatursteuerung der optischen Ausgabe einer Laserdiode sich ändert, ändert sich die Emitterspannung des Transistors Q7 in Übereinstimmung mit der Änderung in dem obigen Signal. Dies ermöglicht, daß der Emitterstrom des Transistors 3, d. h. der Treiberstrom Iop genau und in analoger Weise gesteuert werden kann.
Die spannungsgesteuerte Laserdiodentreiberschaltung mit dem obigen Aufbau ist insbesondere geignet für Burstübermittlung, wobei eine Zeitspanne für die Modulation einer LD und die Übermittlung des resultierenden Signals beschränkt ist.
Fig. 4 zeigt einen speziellen Systemaufbau für Burstübertragung. Wie dargestellt sind eine Anschlußstation 8 und eine Anzahl von Benutzerstationen (ONU) # 1, # 2 und # 3 miteinander über einen Sternkoppler 9 verbunden. Während nur drei Benutzerstationen in Fig. 4 dargestellt sind, sind normalerweise 16 oder mehr Benutzerstationen mit der An schlußstation 8 verbunden. Ein optisches Signal, das von der -Anschlußstation 8 ausgesandt wurde, wird an die Benutzerstationen # 1 - # 3 über den Sternkoppler verteilt. Andererseits senden die Benutzerstationen # 1 bis # 3 jeweils notwendige Daten an die Anschlußstation 8 über den Sternkoppler 9.
Fig. 5 zeigt einen speziellen Aufbau jeder der Benutzerstationen # 1 bis # 3. Wie dargestellt hat die Benutzerstation einen O/E-Konverter zum Wandeln eines optischen Eingangssignals in ein korrespondierendes elektrisches Signal und einen E/O-Konverter zum Wandeln eines elektrischen Signals in ein optisches Signal. Normalerweise sind der O/E- Konverter und der E/O-Konverter zusammen über einen Optokoppler verbunden, um eine bidirektionale Übermittlung unter Einsatz einer einzelnen optischen Fiber umzusetzen.
Die LD-Treiberschaltung 4 ist in den E/O-Konverter der Benutzerstation eingebaut. Die optischen Signale, die von der Benutzerstation ausgegeben werden, werden durch ein Zeitteilungsschema multiplext und dann an die Anschlußstation 8 gesandt, da sie nicht kontinuierlich gesendet werden müssen. Dementsprechend sollte jede Benutzerstation die LD- Treiberschaltung 4 in einem übermittelbaren Zustand nur während der Übermittlung von notwendigen Daten halten. Da die LD-Treiberschaltung 4 Spannungssteuerung im Einstellen und Löschen des übermittelbaren Zustandes verwendet, treten Überschwingungen beim Übergang vom Auszustand in den Einzustand nicht auf, wie mit Bezug auf Fig. 3 angemerkt wurde.
Fig. 6 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung, das ebenfalls die vorher genannten Vorteile erzielen kann.
Zusammenfassend steuert erfindungsgemäß eine spannungsgesteuerte Laserdiodentreiberschaltung einen Strom zum Treiben einer Laserdiode unter Einsatz eines Spannungssignals.
Selbst wenn die Treiberschaltung von einer außerhalb liegenden Schaltung, die mit ihr verbunden ist, gesteuert wird, ist sie somit frei vom Einfluß von Rauschen und der Verdrahtungsmusterkapazität. Es folgt, daß die Ein-/Aus- Steuerung eines Laserdiodentreiberstroms, die Temperaturkompensationssteuerung der optischen Ausgabe einer Laserdiode usw. sicher und stabil durchgeführt werden können. Desweiteren benötigt die Treiberschaltung keine Stromspiegelschaltung, die eine Stromquelle bildet, und spart demzufolge Strom, verglichen mit der konventionellen Treiberschaltung.
Während die vorliegende Erfindung in Verbindung mit bestimmten, bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, soll es so verstanden werden, daß der Gegenstand, der durch die Erfindung umfaßt ist, nicht auf diese speziellen Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Im Gegensatz dazu ist es für den Gegenstand der Erfindung beabsichtigt, alle Alternativen, Modifikationen und Äquivalente zu umfassen, die im Bereich der folgenden Patentansprüche eingefaßt werden können.

Claims

1. Spannungsgesteuerte Laserdioden-Treiberschaltung mit:

einer Laserdiode (LD),

einer Differenzverstärkerschaltung (Q&sub1;, Q&sub2;) zum Treiben der Laserdiode mit Pulsen,

einem Transistor (Q&sub3;) zum Führen eines Treiberstroms an die Laserdiode und

einem Operationsverstärker (6) mit einem invertierenden Eingang und einem Ausgang, der mit der Basis des Transistors (Q3) verbunden ist, und

Steuermitteln zum Steuern einer Spannung, die an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers anzulegen ist,

dadurch gekennzeichnet, daß der invertierende Eingang mit dem Emitter des Transistors verbunden ist und daß der Ausgang mit dem Transistor (Q3) über einen Emitterfolger (Q7) verbunden ist.

2. Spannungsgesteuerte Laserdioden-Treiberschaltung mit:

einer Laserdiode (LD),

einer Differenzverstärkerschaltung (P&sub1;, P&sub2;) zum Treiben der Laserdiode mit Pulsen,

einem Transistor (P&sub3;) zum Führen eines Treiberstroms an die Laserdiode und

einem Operationsverstärker (6) mit einem invertierenden Eingang und einem Ausgang, der mit dem Transistor (P&sub3;) verbunden ist, und

Steuermitteln zum Steuern einer Spannung, die an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers anzulegen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der invertierende Eingang mit der Source des Transistors verbunden ist und daß der Ausgang mit dem Gate des Transistors (p3) über einen Sourcefolger (P7) verbunden ist.