DE69618713T2

DE69618713T2 - Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von Laserdioden

Info

Publication number: DE69618713T2
Application number: DE69618713T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Oono; Masaaki Yokomizo
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1995-05-22
Filing date: 1996-05-22
Publication date: 2002-11-21
Anticipated expiration: 2016-05-23
Also published as: EP0744800A3; JP2704133B2; JPH08316560A; EP0744800B1; DE69618713D1; EP0744800A2; US5761230A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für Laserdioden und insbesondere eine Ansteuerschaltung für Laserdioden, die es ermöglicht, daß die optische Ausgangsleistung der Laserdiode (LD) auf einem angegebenen Pegel unabhängig von irgendwelchen Änderungen in der Umgebungstemperatur gehalten werden kann.
In einem optischen Netzwerk, das eine Basisstation und eine Mehrzahl von lokalen Stationen einschließt, erfordert die Mehrzahl von lokalen Stationen häufig, daß die Basisstation ihnen Daten in einem Datenblock sendet. Diese Daten werden als "Datenstoß" bezeichnet, da sie plötzlich und unmittelbar nach einem Zeitraum ohne Datenübertragung gesendet werden.
Um die Übertragung jedes Bits des erforderlichen Datenstosses zu den entsprechenden lokalen Stationen sicherzustellen, muß ein optischer Sender der Basisstation ein optisches Ausgangssignal erzeugen, dessen Pegel innerhalb eines vorgegebenen engen Bereiches als Reaktion auf die ersten bis letzten Bits des Datenstosses fluktuiert. Außerdem muß der optische Ausgangspegel stabil in bezug auf Änderungen der Umgebungstemperatur sein.
Typischerweise hat der optische Sender eine durch einen elektrischen Strom angesteuerte Laserdiode als Lichtquelle. In diesem Falle ist es bekannt, daß eine automatische Leistungsregelschlaufenschaltung (APC) die Temperaturschwankung des optischen Ausgangssignals der Laserdiode kompensieren kann. Anders gesagt ermöglicht es die konventionelle APC-Schlaufe, die Schwankungen im optischen Ausgangspegel aufgrund von Temperaturänderungen innerhalb eines engen Bereichs einzuschränken.
In der APC-Schlaufenschaltung werden ein gepulster Konstantstrom und ein nicht-gepulster veränderlicher Vorspannungsstrom an die Laserdiode als ihr Ansteuerstrom angelegt. Der veränderliche Vorspannungsstrom wird gesteuert, so daß die optische Ausgangsleistung der Laserdiode auf einem angegebenen Pegel gehalten wird.
Wegen der Einschränkung oder der Begrenzung, die durch die Zeitkonstante der APC-Schlaufe bewirkt wird, ist es jedoch für die Laserdiode schwierig, das optische Ausgangssignal mit einem vorbestimmten Pegel als Reaktion auf den ersten Bit des Datenstosses auszugeben. Daher war eine andere Temperaturkompensationstechnik als diejenige der APC-Schlaufenschaltung für den optischen Sender erforderlich, um das Senden des Datenstosses handhaben zu können.
Eine verbesserte Temperaturkompensationstechnik ist entwickelt worden, in der der Ansteuerstrom der Laserdiode entsprechend der Umgebungstemperatur unter Verwendung eines Temperaturdetektors erhöht oder verringert wird, wodurch die optische Ausgangsleistung auf einem konstanten Pegel gehalten wird. Ein Beispiel der konventionellen Ansteuerschaltung für Laserdioden, die diese verbesserte Technik verwendet, ist in Fig. 1 gezeigt.
In Fig. 1 bildet ein Paar von npn-bipolaren Transistoren 102 und 103, deren Emitter miteinander verbunden sind, einen Differenzverstärker. Die Basis des Transistors 102 ist mit einem Eingangsanschluß 131 dieser Schaltung verbunden. Die Basis des Transistors 103 ist mit einem anderen Eingangsanschluß 132 dieser Schaltung verbunden.
Der Kollektor des Transistors 102 ist mit der Anode einer Laserdiode 101 verbunden. Die Kathode der Laserdiode 101 ist mit der positiven Stromversorgung 118 verbunden. Anders gesagt ist der Kollektor des Transistors 102 mit der Stromversorgung 118 durch die Laserdiode 101 verbunden. Der Kollektor des Transistors 103 ist direkt mit der Stromversorgung 118 verbunden.
Ein gepulstes Eingangssignal wird differenziell über die beiden Eingangsanschlüsse 131 und 132 angelegt und wird dann differenziell durch den Differenzverstärker einschließlich der Transistoren 102 und 103 verstärkt. Einer der Transistoren 102 und 103 wird eingeschaltet, und der andere wird ausgeschaltet gelassen entsprechend der Polarität des angelegten Eingangssignals. Ein Ansteuerstrom IOP fließt durch den Transistor 102 oder 103, der eingeschaltet gehalten ist.
Wenn der Transistor 102 eingeschaltet ist, strömt der Ansteuerstrom IOP durch die Laserdiode 101 und den Transistor 102, und daher gibt die Laserdiode 101 Ausgangslicht 123 ab. Das Ausgangslicht 123 hat eine optische Intensität und eine Dauer, die der Größe und der Dauer des Eingangssignals entspricht. Wenn der Transistor 103 eingeschaltet ist, strömt der Ansteuerstrom IOP durch den Transistor 103, und daher wird kein Ausgangslicht von der Laserdiode 101 ausgegeben. Ein bipolarer Transistor 105 ist mit seinem Kollektor mit den verbundenen Emittern der Transistoren 102 und 103 an einer Stelle 104 verbunden, der Emitter ist mit einem Ende eines Widerstandes 109 verbunden, und die Basis ist mit einem Ausgangsanschluß 119 eines Operationsverstärkers 106 verbunden. Das andere Ende des Widerstandes 109 ist geerdet. Der Transistor 105 wird mit einem verstärkten Ausgangssignalstrom vom Operationsverstärker 106 an seiner Basis gespeist, wodurch der Ansteuerstrom IOP an seinem Kollektor erzeugt wird. Der Widerstand 109 wird dazu verwendet, den Strom zu degenerieren, der durch den Transistor 105 fließt.
Der Operationsverstärker 106 hat einen nicht-invertierten Eingangsanschluß 120 und einen invertierten Eingangsanschluß 121. Eine Bezugsspannung VREF wird an den nicht-invertierten Eingangsanschluß 120 angelegt. Eine temperaturabhängige Spannung VT wird an den invertierten Eingangsanschluß 121 angelegt. Der Operationsverstärker 106 verstärkt den Unterschied zwischen der Bezugsspannung VREF und der temperaturabhängigen Spannung VT mit einer festen vorgegebenen Verstärkung differenziell, um den verstärkten Ausgangssignalstrom an die Basis des Transistors 105 einzugeben. Der Transistor 105 wird durch den verstärkten Ausgangssignalstrom angesteuert, wodurch der Ansteuerstrom IOP erzeugt wird, der durch den Transistor 105 fließt.
Zwei in Reihe verbundene Widerstände 111 und 112 sind vorgesehen, um die Bezugsspannung VREF zwischen der positiven Stromversorgung 122 und Masse zu erzeugen. Die Bezugsspannung VREF wird dadurch erzeugt, daß die positive Versorgungsspannung der Stromversorgung 122 mit dem Widerstandsverhältnis der Widerstände 111 und 112 am Verbindungspunkt 114 der Widerstände 111 und 112 geteilt wird. Der Punkt 114 ist mit dem nicht-invertierten Eingangsanschluß 120 des Operationsverstärkers 106 verbunden. Die Bezugsspannung VREF wird in den Verstärker 106 durch den nicht-invertierten Eingangsanschluss 120 eingegeben.
Ein Widerstand 110 und eine p-n-Sperrschichtdiode 113 sind vorgesehen, um die temperaturabhängige Spannung VT zwischen der positiven Stromversorgung 122 und Masse zu erzeugen. Die p-n-Sperrschichtdiode 113 ist mit der Anode mit Masse verbunden und mit der Kathode mit einem Ende des Widerstandes 110 verbunden. Das andere Ende des Widerstandes 110 ist mit der Stromversorgung 122 verbunden. Der Verbindungspunkt 115 des Widerstandes 110 und der p-n-Sperrschichtdiode 113 ist mit dem invertierten Eingangsanschluß 121 des Operationsverstärkers 106 verbunden. Der Widerstand 110 dient dazu, den Vorspannungsstrom zu begrenzen, der durch die Diode 113 fließt.
Der Vorwärtsspannungsabfall der p-n-Sperrschichtdiode 113 verändert sich mit der Umgebungstemperatur, deshalb ist die Diode 113 im Stande, die Umgebungstemperatur zu fühlen. Die temperaturabhängige Spannung VT wird dadurch erzeugt, daß die positive Versorgungsspannung der Stromversorgung 122 durch das Spannungsabfallverhältnis geteilt wird, das durch den Widerstand 110 und die Diode 113 an der Stelle 115 bewirkt wird. Die so erzeugte temperaturabhängige Spannung VT wird in den Operationsverstärker 106 durch den invertierten Eingangsanschluß 121 und einen Widerstand 116 eingegeben. Dieser Widerstand 116 dient dazu, den Eingangsstrom in den Anschluß 121 einzuschränken.
Ein Widerstand 108 ist zwischen dem Emitter des Transistors 105 und dem invertierten Eingangsanschluß 121 des Verstärkers 106 verbunden. Ein Teil des Stroms, der durch den Transistor 105 strömt, wird zum Verstärker 106 durch den Widerstand 108 und den Eingangsanschluß 121 mit invertierter Phase rückgekoppelt. Der Widerstand 108 dient dazu, den negativen Rückkoppelungsstrom des Verstärkers 106 einzuschränken.
Mit der konventionellen Ansteuerschaltung für Laserdioden von Fig. 1 werden die temperaturabhängige Spannung VT, die der Umgebungstemperatur entspricht, und die Bezugsspannung VREF in den Operationsverstärker 106 durch dessen invertierte und nicht-invertierte Eingangsanschlüsse 121 und 120 eingegeben, wodurch der Transistor 105 angesteuert wird. Dies bedeutet, daß der Ansteuerstrom IOP, der durch den Transistor 105 strömt, sich entsprechend der detektierten Umgebungstemperatur ändert. Demgemäß wird die Leistung des optischen Ausgangs 123 unabhängig von Umgebungstemperaturänderungen auf einem angegebenen Pegel gehalten.
Wenn das Widerstandsverhältnis der Spannungsteiler Widerstände 111 und 112 geändert wird, kann die Bezugsspannung VREF (das heißt, eine Versetzung eines Bezugsansteuerstroms der Laserdiode 101) falls gewünscht eingestellt werden.
Wenn das Widerstandsverhältnis der Widerstände 108 und 116 geändert wird, kann die Änderungsrate des Ansteuerstroms IOP in bezug auf die Umgebungstemperatur falls gewünscht eingestellt werden.
Die konventionelle Ansteuerschaltung für Laserdioden von Fig. 1 hat jedoch das folgende Problem.
Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen dem Ansteuerstrom IOP und der Gehäusetemperatur Tc der Laserdiode 101. Da die Umgebungsstemperatur lediglich durch Verwendung der p-n-Sperrschichtdiode 113 detektiert wird, verändert sich die temperaturabhängige Spannung VT, die durch die Diode 113 erzeugt wird, linear in bezug auf die Temperatur. Daher verändern sich auch der verstärkte Ausgangssignalstrom des Operationsverstärkers 106 und daher der Ansteuerstrom IOP ebenfalls linear entlang einer geraden Linie B, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist.
Um die optische Ausgangsleistung 123 der Laserdiode 101 auf einem angegebenen Pegel unabhängig von der Temperaturänderung zu halten, muß sich andererseits der Ansteuerstrom IOP exponentiell mit ändernder Umgebungstemperatur entlang einer gekrümmten Linie A ändern, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Ein Problem bei der konventionellen Ansteuerschaltung für Laserdioden von Fig. 1 besteht demgemäß darin, daß sie den Ansteuerstrom IOP nicht mit der idealen Temperaturcharakteristik versieht. Insbesondere wird die Leistung des optischen Ausgangs 123 innerhalb eines verhältnismäßig großen Bereiches aufgrund des Unterschiedes zwischen der Temperaturcharakteristiken fluktuieren, die durch die Linien A und B ausgedrückt werden. Dieses Problem wird ernst werden, wenn die konventionelle Ansteuerschaltung von Fig. 1 für Laserdioden an einer Stelle benutzt wird, wo sich die Umgebungstemperatur über einen großen Bereich verändert (zum Beispiel, wenn sie draußen installiert ist).
Eine andere konventionelle Ansteuerschaltung für Laserdioden ist in der japanischen nicht-geprüften Patentanmeldung Nr. 3-145171 offenbart, die im Juni 1991 veröffentlicht worden ist. Diese Schaltung enthält ein Stromversorgungselement zum Liefern eines Stromes zu einer Laserdiode, ein Strommeßelement zum Detektieren des Stromes, der durch die Laserdiode fließt, und ein Strombegrenzungselement, um zu verhindern, daß der durch die Laserdiode fließende Strom (das heißt die von der Laserdiode emittierte Lichtintensität) den absoluten maximalen Nennwert überschreitet. Als Strombegrenzungselement wird ein Widerstand mit einem negativen Temperaturkoeffizienten (das heißt ein Thermistor) verwendet.
Bei der konventionellen Ansteuerschaltung für eine Laserdiode der japanischen nicht-veröffentlichten Patentveröffentlichung Nr. 3-145171 kann verhindert werden, daß die Ausgangslichtintensität der Laserdiode den absoluten maximalen Nennwert überschreitet, sogar wenn die Umgebungstemperatur sich verändert. Die Lichtintensität oder Leistung selbst kann jedoch nicht unabhängig von der Umgebungstemperaturänderung stabilisiert werden. Als Ergebnis tritt das selbe Problem wie bei der konventionellen Schaltung von Fig. 1 auf.
Eine noch andere konventionelle Ansteuerschaltung für eine Laserdiode ist in der japanischen nicht-veröffentlichten Patentanmeldung Nr. 60-254783 offenbart, die im Dezember 1985 veröffentlicht ist, in der eine verbesserte APC-Schlaufenschaltung verwendet wird.
Diese Schaltung weist eine Laserdiode, eine Photodiode zum Überwachen des Lichtausgangssignals der Laserdiode, einen Operationsverstärker zum Verstärken eines Ausgangssignalstroms der Photodiode und einen bipolaren Transistor auf, der mit der Basis mit dem Operationsverstärker und mit dem Kollektor mit der Laserdiode verbunden ist, die eine APC- Schlaufe bilden. Ein Widerstand und ein Thermistor sind parallel mit dem Emitter des bipolaren Transistors verbunden.
Ein gepulstes Eingangssignal, das an die Laserdiode angelegt wird, und ein nicht-gepulster Vorspannungsstrom für die Laserdiode werden so bestimmt, daß das Stromverhältnis zwischen den beiden Strömen auf einem angegebenen Wert gehalten wird. Sogar, wenn die optische Ausgangscharakteristik der Laserdiode sich mit der Umgebungstemperatur ändert, wird das Stromverhältnis auf dem angegebenen Wert unter Verwendung der Temperaturabhängigkeit des Thermistors gehalten.
Bei der konventionellen Ansteuerschaltung für eine Laserdiode der japanischen nicht-veröffentlichten Patentveröffentlichung Nr. 60-254783 bleibt, da die verbesserte APC-Schlaufenschaltung verwendet wird, das obige Problem im Zusammenhang mit der Übertragung des ersten Bits des Datenstosses bestehen. US 4.639.924 beschreibt ein Ansteuersystem für einen Halbleiterlaser, bei dem ein Transistor zwischen einem Anschluß eines Halbleiterlasers und einer Stromversorgung verbunden ist, ein Steueranschluß des Transistors mit einem Ausgangsanschluß eines Verstärkers verbunden ist, eine Spannung an einen Eingangsanschluß des Verstärkers angelegt wird, und ein Verbindungspunkt des Halbleiterlasers und eines Widerstandes mit dem anderen Eingangsanschluß des Verstärkers verbunden ist.
Eine Aufgabe wenigstens der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Ansteuerschaltung für Laserdioden, die stabile optische Ausgangssignale einer Laserdiode innerhalb eines weiten Temperaturbereiches ermöglicht.
Eine andere solche Aufgabe besteht in der Schaffung einer Ansteuerschaltung für Laserdioden, die das obige Problem in bezug auf die Übertragung des ersten Bits des Datenstosses lösen kann.
Die obigen Aufgaben zusammen mit anderen, die nicht besonders erwähnt sind, werden für den Fachmann aus der folgenden Beschreibung deutlich werden.
Durch die vorliegende Erfindung wird eine Ansteuerschaltung für Laserdioden geschaffen, die einen Bezugsspannungsgenerator zum Erzeugen einer Bezugsspannung aufweist und weiter einen Ansteuerstromgenerator zum Erzeugen eines Ansteuerstroms zum Ansteuern einer Laserdiode aufweist;
wobei der Ansteuerstromgenerator aufweist:
einen Widerstand und eine p-n-Sperrschichtdiode, die in Reihe verbunden sind, um eine temperaturabhängige Spannung an einem Verbindungspunkt des Widerstandes und der p-n-Sperrschichtdiode zu erzeugen;
einen Differenzverstärker mit einem ersten Anschluß, an dem die Bezugsspannung angelegt werden soll, einem zweiten Eingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß, durch den ein verstärktes Ausgangssignal ausgegeben wird, welches verstärkte Ausgangssignal der Differenz zwischen der Bezugsspannung und der Spannung entspricht, die an den zweiten Eingangsanschluß angelegt ist;
einen Thermistor, der zwischen dem Verbindungspunkt und dem zweiten Eingangsanschluß des Differenzverstärkers verbunden ist; und
eine Ansteuerstromgeneratorausgangsstufe zum Ausgeben des Ansteuerstroms, welche Ansteuerstromgeneratorausgangsstufe durch das verstärkte Ausgangssignal angesteuert wird;
wobei die temperaturabhängige Spannung und der Thermistor in Kombination eine vorbestimmte Charakteristik in bezug auf die Temperatur aufweisen, die so definiert ist, daß sie den Ansteuerstrom mit der sich ändernden Umgebungstemperatur ändern, so daß die optische Ausgangsleistung der Laserdiode auf einem vorgegebenen Pegel unabhängig von Umgebungstemperaturänderungen gehalten wird.
Als Ergebnis kann die optische Ausgangsleistung der Laserdiode innerhalb eines großen Temperaturbereiches stabilisiert werden.
Da der Ansteuerstrom durch den verstärkten Ausgangsstrom des Verstärkers entsprechend der Umgebungstemperatur eingestellt wird, wird das obige Problem, das durch die Zeitkonstante der konventionellen APC-Schlaufe bewirkt wird, nicht auftreten. Als Ergebnis kann das obige Problem, das sich auf die Übertragung des ersten Bits des Datenstosses bezieht, gelöst werden.
In der Ansteuerschaltung für Laserdioden der Erfindung kann irgendein Spannungsgenerator als Bezugsspannungsgenerator verwendet werden, wenn er eine konstante Spannung erzeugen kann. Vorzugsweise wird jedoch ein Widerstands-Spannungsteiler als Bezugsspannungsgenerator verwendet, da er vom einfachen Aufbau ist.
Irgendein Verstärker kann als der Verstärker verwendet werden, wenn er ein verstärktes Ausgangssignal erzeugen kann, das der Differenz zwischen der Bezugsspannung und der Steuerspannung entspricht.
Irgendein Stromgenerator kann als Ansteuerstromgenerator verwendet werden, wenn er einen Ansteuerstrom für die Laserdiode erzeugen kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Ansteuerschaltung für Laserdioden weiter ein differenzielles Paar von ersten und zweiten Transistoren auf, deren Emitter miteinander verbunden sind und an deren Basen diffenziell ein Eingangssignal angelegt wird, wobei der Kollektor des ersten Transistors mit der Laserdiode verbunden ist;
wobei die Ansteuerstromgeneratorausgansstufe einen dritten Transistor aufweist, dessen Kollektor oder Senke mit den verbundenen Emittern der ersten und zweiten Transistoren verbunden ist, welcher dritte Transistor einen Ansteuerstrom für die Laserdiode an seinem Kollektor oder seiner Senke erzeugt;
wobei der Ausgangsanschluß des Differenzverstärkers mit der Basis oder dem Gatter des dritten Transistors verbunden ist, so daß das verstärkte Ausgangssignal in die Basis oder das Gatter des dritten Transistors eingegeben wird, um den dritten Transistor anzusteuern.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform schließt die Ansteuerschaltung für Laserdioden weiter ein differenzielles Paar von ersten und zweiten Transistoren ein, deren Quellen miteinander verbunden sind und an deren Gatter differenziell ein Eingangssignal angelegt wird, wobei die Senke des ersten Transistors mit der Laserdiode verbunden ist;
wobei die Ansteuerstromgeneratorausgangsstufe einen dritten Transistor aufweist, dessen Kollektor oder Senke mit den verbundenen Quellen der ersten und zweiten Transistoren verbunden ist, welcher dritte Transistor einen Ansteuerstrom für die Laserdiode an seinem Kollektor oder seiner Senke erzeugte;
wobei der Ausgangsanschluß des Differenzverstärkers mit der Basis oder dem Gatter des dritten Transistors verbunden ist, so daß das verstärkte Ausgangssignal in die Basis oder das Gatter des dritten Transistors eingegeben wird, um den dritten Transistor anzusteuern.
Bevorzugte Merkmale der vorliegenden Erfindung sollen nun lediglich beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm einer konventionellen Ansteuerschaltung für Laserdioden;
Fig. 2 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Ansteuerstrom IOP und der Gehäusetemperatur TC der Laserdiode in Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm einer Ansteuerschaltung für Laserdioden gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der optischen Ausgangsleistung PO und dem Vorwärtsstrom IF der Laserdiode gemäß der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform zeigt, wobei die Gehäusetemperatur TC der Laserdiode als Parameter verwendet wird; und
Fig. 5 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Ansteuerstrom IOP und der Gehäusetemperatur TC der Laserdiode gemäß der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform zeigt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung soll detailliert unten unter Bezugnahme auf die beigefügten Fig. 3 bis 5 beschrieben werden.
Eine Ansteuerschaltung für Laserdioden gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt. In Fig. 3 bildet ein Paar von npn-bipolaren Transistoren 2 und 3, deren Emitter miteinander verbunden sind, einen Differenzverstärker. Die Basis des Transistors 2 ist mit einem Eingangsanschluß 31 dieser Schaltung verbunden. Die Basis des Transistors 3 ist mit einem anderen Eingangsanschluß 32 dieser Schaltung verbunden.
Der Kollektor des Transistors 2 ist mit der Anode einer Laserdiode 1 verbunden. Die Kathode der Diode 2 ist mit der positiven Stromversorgung 18 verbunden. Anders gesagt ist der Kollektor des Transistors 2 mit der Stromversorgung 18 durch die Laserdiode 1 verbunden. Der Kollektor des Transistors 3 ist direkt mit der Stromversorgung 18 verbunden.
Ein gepulstes Eingangssignal wird differenziell über die beiden Eingangsanschlüsse 31 und 32 angelegt und wird dann differenziell durch den Differenzverstärker einschließlich der Transistoren 2 und 3 verstärkt. Einer der Transistoren 2 und 3 ist eingeschaltet, und der andere ist ausgeschaltet entsprechend der Polarität des angelegten Eingangssignals. Ein Ansteuerstrom IOP fließt durch den Transistor 2 oder 3, der im eingeschalteten Zustand gehalten wird.
Wenn der Transistor 2 im eingeschalteten Zustand ist, fließt der Ansteuerstrom IOP durch die Laserdiode 1 und den Transistor 2, und daher gibt die Laserdiode 1 Ausgangslicht 23 aus. Das Ausgangslicht 23 hat eine optische Intensität und eine Dauer, die der Größe und der Dauer des Eingangssignals entspricht. Wenn der Transistor 3 im eingeschalteten Zustand ist, fließt der Ansteuerstrom IOP lediglich durch den Transistor 3, und es wird daher kein Ausgangslicht von der Laserdiode 1 ausgegeben.
Ein bipolar Transistor 5 ist mit dem Kollektor mit den verbunden Emittern der Transistoren 2 und 3 an einem Verbindungspunkt 4 verbunden, sein Emitter ist mit einem Ende eines Widerstandes (widerstandswert: R&sub9;) 9 verbunden, und die Basis ist mit einem Ausgangsanschluß 19 des Operationsverstärkers 6 verbunden. Das andere Ende des Widerstandes 9 ist geerdet. Der Transistor 5 wird mit einem verstärkten Ausgangssignalstrom von dem Operationsverstärker 6 an seiner Basis versorgt, wodurch der Ansteuerstrom IOP für die Laserdiode 1 an deren Kollektor erzeugt wird. Der Widerstand 9 wird zum Degenerieren des Stroms benutzt, der durch den Transistor 5 fließt.
Der Operationsverstärker 6 hat einen nicht-invertierten Eingangsanschluß 20 und einen invertierten Eingangsanschluß 21. Eine Bezugsspannung VREF wird an den nicht-invertierten Eingangsanschluß 20 angelegt. Eine temperaturabhängige Steuerspannung VC wird an den invertierten Eingangsanschluß 21 angelegt. Der Operationsverstärker 6 verstärkt differenziell die Differenz zwischen der Bezugsspannung VREF und der Steuerspannung VC mit einer vorbestimmten Verstärkung und gibt den verstärkten Ausgangssignalstrom an die Basis des Transistors 5 aus. Der Transistor 5 wird durch den verstärkten Ausgangssignalstrom angesteuert, wodurch der Ansteuerstrom IOP erzeugt wird, der durch den Transistor 5 fließt.
Zwei in Reihe verbundene Widerstände 11 und 12 sind vorgesehen, um die Bezugsspannung VREF zwischen der positiven Stromversorgung 22 und Masse zu erzeugen. Die Bezugsspannung VREF wird dadurch erzeugt, daß die positive Versorgungsspannung von der Stromversorgung 22 durch das Widerstandsverhältnis der Widerstände 11 und 12 am Verbindungspunkt 14 der Widerstände 11 und 12 geteilt wird. Der Punkt 14 ist mit dem nicht-invertierten Eingangsanschluß 20 des Operationsverstärkers 6 verbunden. Die Bezugsspannung VREF wird in den Verstärker 6 durch den nicht-invertierten Eingangsanschluß 20 eingegeben.
Der obige Schaltungsaufbau ist der selbe wie derjenige der konventionellen Ansteuerschaltung für Laserdioden von Fig. 1. Ein Widerstand 10 und eine p-n-Sperrschichtdiode 13 sind vorgesehen, um die temperaturabhängige Steuerspannung VC zwischen der positiven Stromversorgung 22 und Masse zu erzeugen. Die Diode 13 ist mit der Anode mit Masse verbunden und mit der Kathode mit einem Ende des Widerstandes 10 verbunden. Das andere Ende des Widerstandes 10 ist mit der Stromversorgung 22 verbunden. Ein Verbindungspunkt 15 des Widerstandes 10 und der Diode 13 ist mit dem invertierten Eingangsanschluß 21 des Operationsverstärkers 6 verbunden. Der Widerstand 10 dient dazu, den Vorspannungsstrom zu begrenzen, der durch die Diode 13 fließt.
Ein Widerstand (Widerstandswert: R&sub9;) 8 ist zwischen dem Emitter des Transistors 5 und dem invertierten Eingangsanschluß 21 des Verstärkers 6 verbunden. Ein Teil des Stroms, der durch den Transistor 5 fließt, wird mit negativer Phase zum Verstärker 6 durch den Widerstand 8 und den Eingangsanschluß 21 rückgekoppelt. Der Widerstand 8 dient dazu, den negativen Rückkoppelungsstrom des Verstärkers 6 einzuschränken.
Die temperaturabhängige Steuerspannung VC wird dadurch erzeugt, daß die positive Versorgungsspannung der Stromversorgung 22 durch das Spannungsabfallverhältnis geteilt wird, das durch den Widerstand 10 und die p-n-Sperrschichtdiode 13 am Punkt 15 bewirkt wird. Die so erzeugte Steuerspannung VC wird in den Operationsverstärker 6 durch den invertierten Eingangsanschluß 21 und einen Thermistor 7 (Widerstandswert: Rth) eingegeben. Der Thermistor 7 dient nicht nur dazu, den Eingangsstrom des Anschlusses 21 einzuschränken, sondern auch dazu, die Temperaturcharakteristik der Steuerspannung VC zu kompensieren. Als Ergebnis wird die kompensierte Steuerspannung VC in den Verstärker 6 eingegeben.
Als nächstes soll die Arbeitsweise der Ansteuerschaltung der Laserdiode der Erfindung unten im Detail beschrieben werden.
Das elektrische Potential am Verbindungspunkt 14 der Widerstände 11 und 12 wird als V&sub1; definiert, und das elektrische Potential am Verbindungspunkt 15 des Widerstandes 10, der temperaturdetektierenden Diode 13 und des Thermistors 7 ist als V&sub2; definiert. Dann ist das Potential V&sub1; gleich der Bezugsspannung VREF. Das Potential V2 hat eine lineare Temperaturcharakteristik mit einem negativen Temperaturkoeffizienten von ungefähr -2 mV/Grad.
Die Verstärkung des Operationsverstärkers 6 wird durch das Widerstandsverhältnis des Widerstandes 8 und des Thermistors 7 bestimmt, das heißt (R&sub8;/Rth). Wenn das elektrische Potential am Emitter des Transistors 5 als VE definiert wird, hat daher das Potential VE eine lineare Temperaturcharakteristik, deren Temperaturkoeffizient ungefähr gleich ist zu [2 mV/Grad · (R&sub8;/Rth)]·
Da die verbundenen Emitter der Transistoren 2 und 3, die den i Differenzverstärker bilden, mit dem Kollektor des Transistors 5 verbunden sind, erzeugt der Transistor 5 den Ansteuerstrom an seinem Kollektor. Das Potential Vg am Emitter hat einen Temperaturkoeffizienten, der ungefähr gleich [2 mV/Grad · (R&sub8;/Rth)] ist, und daher hat der Ansteuerstrom IOP ebenfalls einen Temperaturkoeffizienten von ungefähr [2 mV/Grad · (R&sub8;/Rth)].
Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen der optischen Ausgangsleistung P&sub0; und dem Vorwärtsstrom IF der Laserdiode 1 gemäß der Ausführungsform.
Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß die Ausgangsleistung P&sub0; linear mit anwachsendem Vorwärtsstrom IF anwächst, wenn der Wert des Vorwärtsstroms IF den Schwellstromwert überschreitet, und daß die Steigung der Kurven bei unterschiedlichen Werten von TC von der Gehäusetemperatur TC abhängt.
Um hier zum Beispiel die optische Ausgangsleistung P&sub0; auf einen Wert von 3mW zu halten, wird man verstehen, daß der Wert des Ansteuerstroms IOP in Abhängigkeit von der Gehäusetemperatur TC anwächst. Die Beziehung zwischen dem Ansteuerstrom IOP und der Gehäusetemperatur TC der Laserdiode 1 ist in Fig. 5 gezeigt.
Die Kurve A' in Fig. 5, die von der Kurve von IOP in Fig. 4 erhalten worden ist, bezeichnet die notwendige Temperaturcharakteristik des Ansteuerstroms IOP. Diese Kurve A' ist ungefähr exponentiell, was aufgrund der folgenden Gründe wahr ist:
Allgemein wird das Anwachsen des Ansteuer- oder Betriebsstroms der Laserdiode durch das Anwachsen der Schwellstromdichte Jth bestimmt. Wenn die p-n-Übergangstemperatur und die charakteristische Temperatur der Laserdiode als Tj bzw. T&sub0; bezeichnet werden, kann die Schwellstromdichte Jth durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt werden:
Jth = Jth0·exp(tj/t0) (1)
wobei Jth0 die Schwellstromdichte bei einer Bezugstemperatur ist. Die Gleichung (1) wurde durch den Erfinder durch experimentelle Untersuchungen herausgefunden. Die charakteristische Temperatur T&sub0; ist für die Laserdiode eigentümlich.
In Gleichung (1) wird typischerweise Jth0 als 25ºC eingesetzt. Zum Beispiel wenn die Laserdiode eine Wellenlänge von 1,3 um hat, T&sub0; = 70 K für eine p-n-Übergangstemperatur Tj im Bereich von 25ºC bis 70ºC.
Man wird daher von Gleichung (1) verstehen, daß der Betriebs- oder Ansteuerstrom der Laserdiode 1 eine exponentielle Temperaturcharakteristik hat. Die Tatsache, daß die in Fig. 5 gezeigte Kurve A' eine exponentielle Temperaturcharakteristik hat, ist daher bestätigt.
Wie dies oben beschrieben wurde, muß, um die optische Ausgangsleistung der Laserdiode 1 auf einem bestimmten Pegel mit hoher Genauigkeit zu halten, der Ansteuer- oder Betriebsstrom IOP der Laserdiode 1 sich entlang der exponentiellen Kurve A' in bezug auf die Umgebungstemperatur verändern. Es ist offensichtlich, daß dies dadurch realisiert wird, daß dem Kollektorstrom des Transistors 5 die selbe exponentielle Charakteristik gegeben wird.
Der Ansteuerstrom IOP oder der Kollektorstrom des Transistors 5 kann unter Verwendung des Thermistors 7 realisiert werden. Insbesondere hat der Widerstandswert Rth des Thermistors 7 eine negative exponentielle Charakteristik in bezug auf die Umgebungstemperatur, und das Potential V&sub2; am Verbindungspunkt 15 wird durch den Widerstandswert Rth kompensiert. Demgemäß hat der Kollektorstrom des Transistors 5 eine exponentielle Temperaturcharakteristik. Der Grund hierfür ist der folgende:
Das Emitterpotential VE des Transistors 5 kann durch die folgende Gleichung (2) unter Verwendung der Potentiale V&sub1; und V&sub2; an den entsprechenden Verbindungspunkten 14 und 15, des Widerstandswerts R&sub8; des Rückkoppelungsstrombegrenzungswiderstandes 8 und durch des Widerstandswerts Vth des Thermistors 7 ausgedrückt werden:
VE = V&sub1; + R&sub8;/Rth · (V&sub1; - V&sub2;)
Daher kann der Ansteuerstrom I~p durch die folgende Gleichung (3) unter Verwendung des Widerstandswertes Rg des Emitterwiderstandes 9 ausgedrückt werden:
Andererseits kann der Widerstandswert Rth des Thermistors 7 bei einer absoluten Temperatur T (K) durch die folgende Gleichung (4) wiedergegeben werden:
Rth = R&sub1;·exp{B(1/T - 1/T&sub1;)} (4)
wobei R&sub1; der Widerstandswert des Thermistors 7 bei einer Bezugstemperatur T&sub1; ist und B eine Konstante ist, die für den Thermistor 7 eigentümlich ist.
Indem die Gleichung (4) in die Gleichung (3) eingesetzt wird, wird man verstehen, daß der Ansteuerstrom IOP exponentiell mit anwachsender Umgebungstemperatur anwächst.
Die in Fig. 5 gezeigte Kurve B' zeigt die Temperaturcharakteristik des Ansteuerstroms IOP, die aus den obigen Gleichungen (3) und (4) erhalten wurde. Die Kurve B' ergibt eine sehr genaue Annäherung an die Kurve A', was die notwendige Temperaturabhängigkeit des Ansteuerstroms IDp von der Gehäusetemperatur Tc der Laserdiode 1 innerhalb eines großen Temperaturbereichs anzeigt.
Der Fehler der Kurve B' in bezug auf die Kurve A' in Fig. 5 beträgt 1 mA oder weniger im Bereich von Te = 40ºC bis +90ºC.
Mit der Ansteuerschaltung für Laserdioden gemäß der obigen Ausführungsform hat daher der Ansteuerstrom IOP, der durch den Transistor 5 fließt, eine exponentielle Temperaturcharakteristik, die durch die Kurve B' gezeigt wird.
Als Ergebnis kann die Leistung des optischen Ausganges 23 auf einem angegebenen Pegel unabhängig von Umgebungstemperaturänderungen gehalten werden. Da keine APC-Schlaufenschaltung verwendet wird, tritt das obige Problem, das sich auf die Übertragung des ersten Bits für den Datenstoß bezieht, nicht auf.
In der obigen Ausführungsform geben die Stromversorgungen 18 und 22 positive Versorgungsspannungen ab. Sie können jedoch auch negative Stromversorgungen liefern, wenn die Polaritäten der Transistoren und der temperaturdetektierenden Diode geeignet geändert werden.
Obwohl alle Transistoren bei der obigen Ausführungsform bipolare Transistoren sind, kann zusätzlich irgendein anderer Transistor wie zum Beispiel Metalloxid-Halbleiterfeldeffekttransistoren (MOSFETs) verwendet werden.

Claims

1. Ansteuerschaltung für Laserdioden, die einen Bezugsspannungsgenerator (11, 12, 22) zum Erzeugen einer Bezugsspannung aufweist und weiter einen Ansteuerstromgenerator (5, 6, 7, 10, 13, 22) zum Erzeugen eines Ansteuerstroms zum Ansteuern einer Laserdiode (1) aufweist;

welche Ansteuerstromgenerator aufweist:

einen Widerstand (10) und eine p-n-Sperrschichtdiode (13), die in Reihe verbunden sind, um eine temperaturabhängige Spannung an dem Verbindungspunkt (15) des Widerstandes und der p-n-Sperrschichtdiode zu erzeugen;

einen Differenzverstärker (6) mit einem ersten Eingangsanschluß (20), an den die Bezugsspannung angelegt werden soll, einem zweiten Eingangsanschluß (21) und einem Ausgangsanschluß (19), durch den ein verstärktes Ausgangssignal ausgegeben wird, welches verstärkte Ausgangssignal der Differenz zwischen der Bezugsspannung und der Spannung entspricht, die an dem zweiten Eingangsanschluß (21) angelegt ist;

einen Thermistor (7), der zwischen den Verbindungspunkt (15) und dem zweiten Eingangsanschluß (21) des Differenzverstärkers (6) verbunden ist; und

eine Ansteuerstromgeneratorausgangsstufe (5) zum Ausgeben des Ansteuerstroms, welche Ansteuerstromgeneratorausgangsstufe (5) durch das verstärkte Ausgangssignal angesteuert wird;

wobei die temperaturabhängige Spannung und der Thermistor in Kombination eine vorbestimmte Charakteristik in bezug auf die Temperatur aufweisen, die so definiert ist, daß sie den Ansteuerstrom mit sich ändernder Umgebungstemperatur so ändert, daß der optische Ausgang der Laserdiode auf einem angegebenen Pegel unabhängig von der Umgebungstemperaturänderung gehalten wird.

2. Ansteuerschaltung für Laserdioden nach Anspruch 1, die weiter ein differenzielles Paar von ersten und zweiten Transistoren aufweist, deren Emitter miteinander verbunden sind und an deren Basen differenziell ein Eingangssignal angelegt wird, wobei der Kollektor des ersten Transistors mit der Laserdiode verbunden ist;

wobei die Ansteuerstromgeneratorausgangsstufe einen dritten Transistor (5) aufweist, dessen Kollektor oder Senke mit den verbundenen Emittern der ersten und zweiten Transistoren (2, 3) verbunden ist, welcher Transistor (5) einen Ansteuerstrom für die Laserdiode an seinem Kollektor oder seiner Senke erzeugt;

wobei der Ausgangsanschluß des Differenzverstärkers (6) mit der Basis oder dem Gatter des dritten Transistors verbunden ist, so daß das verstärkte Ausgangssignal in die Basis oder das Gatter des dritten Transistors eingegeben wird, um den dritten Transistor anzusteuern.

3. Ansteuerschaltung für Laserdioden nach Anspruch 1, die weiter ein differenzielles Paar von ersten und zweiten Transistoren aufweist, deren Quellen miteinander verbunden sind und an deren Gatter differenziell ein Eingangssignal angelegt wird, wobei die Senke des ersten Transistors mit der Laserdiode verbunden ist;

wobei die Ansteuerstromgeneratorausgangsstufe einen dritten Transistor aufweist, dessen Kollektor oder Senke mit den verbundenen Quellen der ersten und zweiten Transistoren verbunden ist, welcher dritte Transistor einen Ansteuerstrom für die Laserdiode an seinem Kollektor oder seiner Senke erzeugt;

4. Ansteuerschaltung für Laserdioden nach Anspruch 2 oder 3, die weiter einen zweiten Widerstand aufweist, der zwischen dem Emitter oder der Quelle des dritten Transistors und dem zweiten Eingangsanschluß des Differenzverstärkers verbunden ist; wobei ein Teil des Stroms, der durch den Emitter oder durch die Quelle des dritten Transistors fließt, zu dem Differenzverstärker in Gegenphase rückgekoppelt wird, wodurch der Ansteuerstrom auf einen bestimmten Wert der Umgebungstemperatur stabilisiert wird.

5. Ansteuerschaltung für eine Laserdiode nach einem vorangehenden Anspruch, wobei der Ansteuerstrom eine exponentielle Charakteristik in bezug auf die Umgebungstemperatur hat, wobei der Wert des Ansteuerstroms mit anwachsender Umgebungstemperatur anwächst.