KR19990028418A - 레이저 드라이버 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 구동 회로에 관한 것으로, 레이저 다이오드(1)는 백 패싯 포토다이오드(2)로부터 d.c.참조 전압(Vref), 입력 데이터(Vin), 및 음의 피드백을 수신하는 제1, 가산 적분기(5), 및 상기 데이터 및 상기 음의 피드백을 수신하는 제2, 광대역 증폭기에 의해 구동되는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저 드라이버

본 발명은 레이저 구동 회로에 관한 것으로서, 특히 변조 신호가 사용될 수 있는 구동 회로에 관한 것이다.

상기 회로를 상세히 살펴보기전에, 레이저 작용을 검토하는 것이 도움이 될 것이다. 도 1은 대표적인 반도체 레이저 다이오드의 입력 전류에 대한 광출력의 그래프를 나타내고 있다. "A"로 표시된 커브는 실내온도에서의 일반적인 지표를 설명하고 있다. 그것은 전류(I_t)에서의 기울기(S) 및 턴(turn)으로 특징지워진다. 그러나 이러한 지표는 온도에 종속적이고, 더 높은 온도 및 더 낮은 온도에서의 일반적인 그래프는 각각 커브(B) 및 커브(C)로 나타나 있다. 레이저를 변조 신호와 함께 구동하기 위해, 상기 레이저를 작동 영역으로 끌어들이는 일부 정재 전류를 제공하고, 이 전류를 상기 변조 신호에 따라 변화를 주는 것이 필요하다는 것이 이 그래프를 검토하므로써 명백해진다. 참조 "D"는 상기 커브(A)상의 작동을 위한 구동 전류의 일반적인 범위를 나타내는데, 광출력은 대기 0과 요구되는 일부 최대값 사이에서 서로 다르다는 것을 볼 수 있다. 더 높은 온도(그래프 B)에서 이러한 같은 전류 범위를 적용하는 것은 더 낮은 최대 전력출력을 낳고, 또한 상기 레이저가 상당히 컷오프 아래로 구동되는 결과를 낳는다. 이것은 일단 컷오프 이하로 구동되면, 증가하는 전류가 장치내에 작동 영역 뒤로 있게 되어, 높은 비트율로 디지털 신호를 변조하려고 시도하는 경우 성능을 떨어뜨릴 수 있는 지연을 받아들이기 때문에 특히 만족스럽지 못하다. 반면, 낮은 온도 경우(그래프 C)에 같은 전류 범위를 적용할 경우, 매우 더 높은 광출력이 얻어지지만 상당한 최소 광출력(저소광비라 함)과 함께 얻어진다; 그러나 이것은 복조에서 문제를 일으킨다.

이러한 문제의 한가지 해결방법은 장치의 온도를 적당한 상수로 유지하기 위해 적저한 제어 회로소자에 펠티에 냉각기를 사용하는 것이다. 그러나 이것은 비용을 증가시킨다.

자극 임계값내 변화정도는 공지된 평균 전력 제어기를 사용하므로써 조정될 수 있는데, 그 개략도가 도 2에 나타나 있다. 여기서 레이저 다이오드(1)는 전류(I)와 함께 구동되고, 광출력(L=S.I와트)을 산출한다. 상기 광출력은 K.L.암페어의 전류를 저항(R)의 로드 저항기(3)로 구동하는 백 패싯 모니터 포토다이오드(2)에 의해 감지된다. 평균 광출력은 전압(V_ref)을 산출하는 전압 참조 소스(4)에 의해 결정되고, 상기 다이오드에 공급되는 전류를 제어하기 위해, 상기 로드 저항기(3)를 통해 발달된 전압은 가산 트랜스컨덕턴스 적분기(5)에 의해 상기 로드 저항기(3)를 통해 발달된 전압과 비교된다. 변조 전류는 입력(6)에서 연결된 외부 전류 소스로부터 상기 레이저 다이오드로 공급된다.

만일 상기 증폭기(5)가 트랜스컨덕턴스 대역폭 산출(G)을 갖는다면, 얼마간의 변조 입력을 무시할 때 상기 레이저 출력은:

ω=0일 때 상기 광출력은 "S"에 독립적이고, 따라서 상기 평균 전력 설정은 상수로 유지된다는 것을 알 수 있다. 변조 전류(I_data)가 상기 입력(6)에 사용되면, 상기 광출력은 다음과 같이 주어진다:

여기서 이득은 고주파수에서 "S"에 종속적이고, 따라서 동일 전류 구동 스윙을 위한 작동 영역이 도시되는 경우 도 3에 나타난 상황이 얻어진다는 것을 알 수 있다. 저온에서 상기 레이저는 자극 지연 페닐티로 컷오프 아래로 바이어스되거나 또는 역바이어스될 수도 있는 반면, 고온에서는 저조한 소광비가 얻어진다. d.c.에서 상기 데이터에서 상기 d.c. 성분을 효과적으로 제거하는 증폭기(5)의 피드백 제어를 제로까지 떨어뜨리는 경우, 저주파수 데이터의 이득이 낮다는 것을 더 알 수 있다. 따라서 이 구동 타입은 대칭적인 파형을 갖는 데이터에만 적당하다; 특별히 수동 광네트워크와 같은 TDMA 시스템에서 사용될 수 있는 것과 같은 버스트 데이터 구동에는 매우 부적당하다.

본 발명에 따르면, 데이터 신호를 수신하는 데이터 입력; 레이저 광출력을 나타내는 패드백 신호를 제공하는 수단; d.c. 및 저주파수에서 이득을 갖고, 전류를 상기 레이저로 제공하기 위해 상기 데이터 신호, d.c. 참조 신호 및 상기 피드백 신호를 수신하도록 연결된 제1증폭기; 및 더 높은 주파수에서 이득을 갖고, 전류를 상기 레이저에 제공하기 위해 상기 데이터 신호 및 상기 피드백 신호를 수신하도록 연결된 제2증폭기를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 드라이버가 제공된다.

대개, 상기 제1증폭기는, 임계 주파수 이하에서 상기 제2증폭기보다 높은 이득을 갖고, 임계 주파수 이상에서는 상기 제2증폭기보다 낮은 이득을 갖는 가산 적분기이다.

만일 요구된다면, 상기 드라이버는 상기 드라이버에 의해 데이터 신호로 제공된 이득이 상기 제1증폭기의 통과대역 이상의 d.c.와 주파수에서 동일하게 될 수 있게 하는 이득 조정 수단을 가질 수 있다.

지금부터 첨부한 도면중 도 4 및 도 5를 참조로 하여 본 발명의 일부 실시예를 예의 방법으로 설명하도록 하겠다.

도 4는 본 발명에 따른 레이저 구동 회로의 한 실시예의 개략적인 회로도이다. 백 패싯 모니터 포토다이도드(2)와 그 로드 저항기(3), 전압 참조 소스(4), 및 가산 트랜스컨덕턴스 적분기(5)와 함께 레이저 다이오드(1)가 다시 도시되어 있다. 그러나 이러한 경우, 상기 증폭기(5)는 상기 참조 소스(4)로부터의 전압(V_ref)뿐만 아니라 데이터 입력(10)으로부터의 데이터(V_in)도 (그 변환입력에서) 수신한다. 그 비변환입력은 상기 저항기(3)에서 피드백 전압을 수신하기 위해 연결된다.

게다가 제2, 광대역, 증폭기(11)는 그 비변환입력에서의 동일한 피드백 전압 및 그 변환 입력에서의 데이터(V_in)를 입력 저항기(13)를 통해 수신하기 위해 연결된 조작 증폭기(12)도 준비되어 있다; 이 증폭기의 전압 이득은 이 입력 저항기와 피드백 저항기(14)에 의해 결정된다. 상기 증폭기는 로드 저항기(15)를 통해 전류를 상기 레이저 다이오드(1)로 구동한다.

조작중에, 상기 증폭기(5)는 I₁의 (도 4에 화살표로 나타낸 방향으로) 전류와 함께 상기 다이오드(1)를 구동한다. 앞서 사용된 주석과 함께, 이 전류는 다음과 같이 주어진다:

반면, 상기 광대역 증폭기(11)로부터 전압(V₂) 출력을 얻기 위해, 변환입력에서의 전로를 더한다(이때 R_in및 R_fb는 상기 입력 및 피드백 저항기(13,14)의 값이 된다).

그리고, 만일 R_L이 상기 로드 저항기(15)의 값인 경우,

따라서 전체 레이저 다이오드 전류는

정리하면,

[수학식 6]

상기 입력신호의 a.c. 성분(V_inac)에 의하여 이 성분을 변화시키는 시간은

[수학식 7]

[수학식 8]

그리고 대응하는 광출력은

[수학식 9]

만일 R_L/KSR이 1보다 매우 작다면, 이 식은 상기 레이저 기울기(S)에 독립적이다; 게다가 만일 R_in(1+R_L/KSR)/R_fb가 1보다 매우 작다면, 상기 광출력은 혼자 포토다이오드 로드(R)이 고정된 파라미터, 및 광 피드백 전송 함수(K)에 종속적이 된다. 사실 여기서 지나치게 큰 "R" 값은 불안정한 성향을 일으킬 수 있기 때문에 절충이 필요하다. 그렇지만 기울기 감도내 상당한 감소가 얻어진다.

상기 d.c. 성분(V_indc)에 대한 전류(I)의 d.c. 성분은 다음과 같이 주어진다.

[수학식 10]

그리고 광출력은,

[수학식 11]

다시 기울기 독립적이 되고 게다가 상기 입력의 d.c.성분을 유지한다.

작동중에, 상기 레이저 바이어스 포인트는 "V_ref"의 조정에 의해 설정된다. 상기 회로가 연결된 d.c.이기 때문에 일반적인 바이어스 설정은 임계값에서 적정하게 될 것이다. 이 설정은 V_in=0 볼트로 대응한다. 상기 레이저 임계값내 어떠한 변화는 상기 트랜스컨덕턴스 적분기(5)에 의해 추적된다. 저주파수 변조로, 모든 레이저 구동이 이 증폭기에 의해 가상적으로 제공된다; 주파수가 증가함에 따라 상기 광대역 증폭기(11)로부터의 기여는 더욱더 중요해지고, (주파수에 역으로 비례하는) 상기 트랜스컨덕턴스 적분기 기여의 그 이득율(대개 상수)이 증가함에 따라 그것에 의해 처리된 구동전류의 비율도 순조롭게 증가한다. 따라서 상기 저속 장치는 상기 광대역 증폭기가 단지 고주파수 변조 성분을 제공하는 동안 정재 레이저 임계 바이어스를 제공한다.

참조 전압이 데이터 신호와 함께 연속적으로 있기 때문에 도 4의 실시예는 구현을 위해 편리한 형태는 아니다. 게다가 상기 포토다이오드는 양 증폭기의 입력들에 의해 분로가 만들어지고, 만일 상기 트랜스컨덕턴스 적분기(5)가-저대역폭 d.c. 증폭기의 일반형이므로-라디오 주파수에서 낮은 임피던스를 갖는 경우 수행력을 하락시킬 수 있다. 좀더 일반적인 버전이 도 5에 도시되어 있다.

도 5에서, 도 4의 성분들과 기능면에서 동일한 성분들이 같은 참조 번호로 주어져 있다. 상기 참조 전압은, 분압기(16)에 의해 발생되고, 증폭기(17)에 의해 상기 참조 전압 및 "V_in" 각각을 위한 입력 저항기(18,19), 및 이득과 d.c.균형을 조정하기 위한 각각의 피드백 저항기(20)로 입력 전압(V_in)과 더해진다. 이 증폭기내 변환때문에, 상기 참조 및 입력 저항은 상기 포토다이오드(2)로부터의 피드백 신호이므로 비록 각각의 입력 저항기(21,22)를 통할지라도 지금부터 상기 증폭기(5)의 동일한 양극성 입력에 사용된다. 상기 증폭기(5)는 피드백 저항기(24)와 함께 제1조작 증폭기(23)를 가지고 있고, 상기 제1조작 증폭기는 적분기를 형성하기 위해 값(C_int)의 피드백 커패시터(27)를 가지고 있는 그러한 제2증폭기(26)로 저항기(25)를 통해 값(R_int)을 공급한다. 이것은 저항기(R_out)를 통해 전류를 상기 레이저 다이오드(1)로 공급하는 이미터 폴로어 pnp 트랜지스터(29)를 저항기(28)를 통해 구동한다.

광대역 증폭기의 구성은 바뀌지 않는다; 그러나 포토다이오드(2)가 이제 광기전성 모드로 작동하고, 광대역 증폭기(11)를 직접 구동하며, 상기 저항기(22)를 통해 가산 적분기(5)의 제1스테이지(23)를 구동하는데, 이 스테이지의 입력에 의해 상기 다이오드의 지나친 부하를 피한다는 것을 주목해야 한다. 커패시터는 또한 증폭기 입력에서의 과도한 R.F.전류를 피하기 위해 증폭기(23)의 변환 입력으로부터 연결된다.

광대역 증폭기(12)는 해리스 코퍼레이션(Harris Corporation)에서 생산된 HFA1100 또는 컴리니어 코퍼레이션(Comlinear Corporation)에서 생산된 CLC401 타입과 같은 고성능 조작 증폭기가 될 수도 있다. HFA1100로 최대 300Mbit/s의 데이터율에서 좋은 결과가 얻어졌다. 그 외의 것들(17,23,26)은 우수한 d.c.안정성을 요구하지만 그들의 주파수 응답은 중요하지 않다. CA3140 BiMOS op-amp는 안정적이다.

증폭기(5)의 컷오프 주파수는 f=GKRS/2π (여기서 G=1/(C_intR_intR_L))

증폭기(17) 및 관련된 성분은 피드백 루프 외부에 있고, 데이터를 위한 전송 기능이 높고 낮은 주파수 모두에서 동일하기 위해 d.c.균형 제어(20)에 의해 이득을 조정할 필요가 있다. 가능한 하나의 조정 함수는 다음과 같다:

(a) 제로 볼트의 데이터 입력과 함께, 저항기(20)로 d.c.균형을 공칭 시작값으로 설정하고, 제로 볼트에서 분압기(16)로 임계값을 설정한다;

(b) d.c.연결 모니터를 사용하여 레이저 광출력을 감시할 때, 레이저 작동 포인트가 레이저 광선을 쬐는 영역으로 잘 들어가도록 임계값 제어(16)를 조정한다;

(c) 0 내지 0.5 볼트의 비대칭 데이터 신호를 역시퀀스에 따라, 300Mbit/s에서 데이터 입력(예를 들어 100 스페이스에 따른 단일 표시)으로 사용하고, 두 신호간에 스위칭이 반복될 때, 모니터상에 어떠한 기본선 이동도 나타나지 않을 때까지 d.c.균형 제어(20)를 조정한다;

(d) 0볼트 데이터 입력 신호가 임계값에서 레이저 바이어스에 대응할 때까지 임계값 제어(16)를 재조정한다.

도 5 회로의 일반적인 성분값은 다음과 같다:

Claims (3)

1. 데이터 신호를 수신하는 데이터 입력;

   레이저 광출력을 나타내는 피드백 신호를 제공하는 수단;

   d.c. 및 저주파수에서 이득을 갖고, 전류를 상기 레이저로 제공하기 위해 상기 데이터 신호, d.c. 참조 신호 및 상기 피드백 신호를 수신하도록 연결된 제1증폭기; 및

   더 높은 주파수에서 이득을 갖고, 전류를 상기 레이저 제공하기 위해 상기 데이터 신호 및 상기 피드백 신호를 수신하도록 연결된 제2증폭기를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 드라이버.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1증폭기는 임계 주파수 이하에서 상기 제2증폭기보다 높은 이득을 갖고, 상기 임계 주파수 이상에서는 상기 제2증폭기보다 낮은 이득을 갖는 가산 적분기인 것을 특징으로 하는 레이저 드라이버.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 드라이버에 의해 데이터 신호로 제공된 이득이 상기 제1증폭기의 통과대역 이상의 주파수와 d.c.에서 동일하게 될 수 있도록 하는 이득 조정 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 드라이버.