NO309068B1 - FremgangsmÕte og anordning i forbindelse med laserstyring - Google Patents

Description

Oppfinnelsens bakgrunn

Oppfinnelsens område

Den foreliggende oppfinnelse vedrører fremgangsmåter og anordninger for regulering av lasere. Mer spesielt vedrører oppfinnelsen fremgangsmåter og anordninger for regulering av laserdioder.

Beskrivelse av tilhørende teknikk

Simulert emisjon fra en GaAs halvlederdiode-laser ble først observert i de tidlige 1960-årene. I mellomliggende år har halvlederdiode-laseren ("laserdiode") blitt dominerende innenfor laserområdet hva angår dennes teknologiske betyd-ning. Den er blitt nøkkelelementet i en økende flerhet av anvendelser, mest fremherskende innenfor området optisk fiberkommunikasjon og lagring av optiske data. Denne "suk-sess" skyldes det forhold at halvlederlasere rett og slett kan pumpes ved å la strøm føres derigjennom ved spennings-og strømnivåer som er sammenlignbare med de integrerte kretsers, og fordi de kan moduleres direkte ved frekvenser utover 20GHz. Laserdioder kan også fremstilles på passende måter, fordi de kan masseproduseres med hjelp av de samme fotolitografiske teknikker som elektroniske kretser samt fordi de kan integreres monolittisk med disse kretser.

Laserdioder forekommer imidlertid ikke uten visse ulemper. For eksempel har laserdioder typiske sterke ikke-linjære karakteristikker ved variasjoner i driftstemperatur. Således vil den optiske utintensitet fra en laserdiode være vanskelig å regulere ved variasjon i driftstemperatur. Laserdioder er også kjent for å forårsake betydelige variasjoner i den lyseffekt som emitteres over tid, hvilket vil si etterhvert som laserdioden eldres.

For å moderere intensiteten av disse variasjoner er det nødvendig å tilveiebringe forholdsregler for regulering av utgående lyseffekt. Det finnes allerede prosesser for regulering av den lyseffekt som emitteres av en laserdiode ved kontinuerlige driftsbetingelser, hvorved et elektrisk signal som er representativt for lyseffekten, blir sammenlignet med elektrisk referansesignal svarende til en refe-ranseeffekt. Disse prosesser innbefatter organer for generering av et feilsignal, om dette er nødvendig, og automatisk å modifisere driftsbetingelsene for laserdioden ved generering av et slikt feilsignal.

Typisk vil en automatisk effektstyring i henhold til kjent teknikk, fremskaffe en forspenningsstrøm som blir innstilt ved tilnærmet terskelstrømnivået for vedkommende laserdiode. På denne måte vil, når en pulsstrøm blir addert til forspenningsstrømmen, laserdioden bli effektivt svitsjet mellom en høy og en lav optisk utintensitet svarende til bølgeformen for nevnte pulsstrøm. Den tilførte forspen-ningsstrøm blir variert på en styrt måte for tilnærmet å befinne seg ved terskelstrømnivået for laserdioden, spesielt når variasjonene i terskelstrømnivået opptrer på grunn av tilsvarende, variasjoner i driftstemperaturen for laserdioden .

For klargjøring og passende forståelse av det nevnte, skal det i det følgende bli omtalt et typisk digitalt fiberoptisk kommunikasjonssystem og de roller laserdioder og spesifikke regulatorer spiller i et slikt system.

Et typisk digitalt fiberoptisk kommunikasjonssystem omfatter en sender ved en første ende og en mottager ved en

andre ende. Mellom senderen og mottageren befinner det seg fiberoptiske kontakter, spleiser samt optiske fiber. Senderen utgjøres av et elektrooptisk grensesnitt som innbefatter en forsterker, laserdiode samt en eller annen form for regulering eller kretser for å holde laserdioden ved det samme arbeidspunkt. Mottageren utgjøres av et optoelektrisk grensesnitt og omfatter en fotodiode, generelt enten av positiv-intrinsikk-negativ ("PIN") typen eller av skredfo-

todiode ("APD") typen, en forsterker og en klokkegjenvin-ningskrets.

I forbindelse med et digitalt optisk fibersystem er det viktig å ha en så god effektmargin som mulig. Effektmargi-nen utgjøres av forskjellen mellom øvre og nedre optiske effektgrenser. Disse øvre og nedre optiske effektgrenser blir typisk innstilt av mottageren. Den øvre grense blir bestemt ved forvrengning i forsterkeren bevirket av overbe-lastning. Den nedre grense, generelt betegnet følsomhet, blir hovedsakelig bestemt ved støy i frontenden av forsterkeren .

Den øvre grense gir den maksimale utgang fra senderen dersom det ikke foreligger noen demping av det optiske signal i kontaktene, skjøtene og fiber. Den nedre grense gir uttrykk for hvor meget effekt som må være igjen etter at det optiske signal fra senderen er blitt dempet etter å ha passert en flerhet av kontakter og skjøter samt kilome-tervis av fiber. De øvre og nedre grenser definerer et effektbudsjett. Dersom man tar hensyn til at hver komponent i en optisk signalbane bevirker en eller annen demping eller "avskaffelse", så vil det kunne oppfattes at bare et begrenset antall av kontakter eller spleiser eller bare en begrenset lengde av fiber kan innlemmes innenfor respektive bane før kraft- eller effektbudsjettet for denne bane blir uttømt. Dette effektbudsjett kan også reduseres ved tole-ranser ved både sender- og mottakerender. Toleransen i senderenden blir bestemt ved kvaliteten av regulering av den optiske uteffekt. Alle de nevnte relasjoner og "straf-fer" blir målt i dBm der en "straffrelatert" eller dempende første spleis blir definert som 10X log (Pin/Pout)dBm.

Slik det tidligere er fremlagt, er en laserdiode å betrakte som et ikke-linjært element og dens karakteristikker er høyst avhengig av arbeidstemperatur og aldringsvirkninger. For tilfredsstillende drift er det nødvendig å arbeide over kneet for dioden. Dersom drift finner sted under kneet, vil dioden få en forsinket påslåing og ringevirkninger ("rin-ging effeets") som kan tolereres, men bare i liten grad. Forholdet mellom maksimum og minimum optisk uteffekt, ekstinksjonsforholdet bør være så høyt som mulig men er begrenset av maksimal gjennomsnittlig effekt og maksimal påslagsforsinkelse. Regulering må justere arbeidspunktet så godt som mulig for å kompensere for temperatur og aldrings-forsinkelser, idet det skal forståes at enhver mistilpas-ning mellom de ideelle og reelle verdier vil virke en "straff" som vil redusere effektbudsjettet eller effektre-serven.

En av de mest vanlige måter hva angår regulering av en laser, går ut på å la laserdioden arbeide ved en konstant temperatur ved hjelp av et regulert Peltier-element. Slike regulatorer inneholder to reguleringssløyfer, en for Peltier-elementet og en for den gjennomsnittlige effektregulering. Regulatoren for uteffekten avføler den gjennomsnittlige optiske uteffekt med overvåkningstappedioden, og justerer for spenningsstrømmen for å kompensere for den ved aldring økte Ith eller terskelstrøm. Ved slike tilfeller vil endringene i "scope"-effektivitet være meget små. Denne type av regulering fungerer bra, men den er dyr å implemen-tere, har et høyt kraftforbruk (det vil si noen få Watt hva angår temperaturregulering), krever avkjøling og er plass-krevende. Videre er Peltier-elementet ikke like pålitelig som laserdioden.

Som tidligere anført foreligger det en flerhet av alterna-tive fremgangsmåter hva angår regulering av en laser uten temperaturregulering. En slik fremgangsmåte går ut på å bare ha en gjennomsnittlig effektregulering. En slik fremgangsmåte omfatter en konstant modulasjonsstrøm og en enkel regulering av forspenningsstrømmen. Denne fremgangsmåte gir en "straff" på 5-6 dBm for en PIN-mottaker og mer for en APD-mottaker.

En annen fremgangsmåte som er noe mere kompleks, går ut på å komplementere en gjennomsnittlig effektregulator med en enkel forovermatende regulator for modulasjonsstrømmen. Ved avføling av temperaturen og prediksjon av modulasjonsstrøm-mene for laserdioden kan man fremskaffe kompensasjon for variasjoner hva angår hellnings-effektiviteten ("slope efficiency"). Denne fremgangsmåte er meget enkel men den krever tilpasning mellom avfølingselementet og karakteris-tikkene hos laseren og den kompenserer ikke for aldring. Denne fremgangsmåte innebærer en "straff" på et par dBm.

En tredje fremgangsmåte går ut på å regulere gjennomsnittlig effekt som angitt tidligere, og den innebærer også det å regulere modulasjonseffekten via en eller annen form for lavfrekvensmodulert optisk effekt. Det optiske uteffekt blir modulert med et lavt frekvenssignal, idet amplituden av signalet er 10% eller mindre av datasignalets amplitude, slik at dette kan observeres som en lavfrekvent ("LF") rippel på signalet. Modulasjon kan utføres via forspen-ningsstrømmen og bevirker at både maksimum og minimum optiske verdier vil variere. Dersom slik modulasjon blir utført fullstendig over kneet, ville disse variasjoner være de samme for både maksimum og minimum effekt, men dersom forspenningsstrømmen blir redusert til tett inntil kneet eller like under dette, vil de maksimale uteffektvariasjo-ner bli undertrykket. Den variasjon av LF signalet vil bli registrert av overvåkeren og filtert bort og benyttet for regulering sammen med det gjennomsnittlige effektsignal. Denne tredje fremgangsmåte har en "straff" på ca. 1 dBm bevirket av nevnte LF modulasjon. Dessuten vil regulering ved denne fremgangsmåte bare kunne finne sted tett opptil kneet for passende regulering. Det optimale arbeidspunkt kan til samme tider ligge utenfor dette område.

I den tyske patentsøknaden DE 3 404 444 Al er det beskrevet en anordning til bruk for kontroll av lyseffekt, basert på både gjennomsnittssignal og toppsignal. Lysintensiteten måles av en krets med en fotosensor slik at forskjellen til et ønsket gjennomsnittlig referansesignal og forskjellen til et ønsket toppsignal kan monitoreres av kretsanordnin-ger. Kombinasjonen av forskjellene gir grunnlag for sammenligning av det opprinnelige signalet. Anordningen omfatter imidlertid ingen form for effektreguleringer.

Sammenfatning av oppfinnelsen

For oppfinnelsens karakteristika refereres det til de foreliggende krav.

Den foreliggende oppfinnelse råder bot på de ulemper og mangler som tidligere teknikk er beheftet med, ved at det fremskaffes en anordning for styring av den optiske utintensitet fra en laserdiode. Anordningen i henhold til den foreliggende oppfinnelsens lære, omfatter: først organer for å motta en del av den optiske utgang fra nevnte laserdiode og for avlevering av et første signal med en størrelse som er representativ for den gjennomsnittlige utintensitet fra nevnte optiske utgang fra laserdioden,

andre organer for å motta en del av den optiske utgang fra den nevnte laserdiode og for avlevering av et andre signal med en størrelse som representerer spissverdien av utgangsintensiteten fra nevnte optiske laserdiodes utgang,

tredje organer for å sammenligne størrelsen av det første signal med et referansestrømsignal og for å justere den gjennomsnittlige utgangsintensitet slik at den forblir hovedsakelig konstant,

og fjerde organer for sammenligning av størrelsen av det andre signal i forhold til et referansestrømsignal og å justere toppverdien av utgangsintensiteten slik at denne forblir hovedsakelig konstant.

Utførelsesformer for den foreliggende oppfinnelse kan også innbefatte konstruksjoner som er innrettet til å utføre

dataklokking for eksempel som en D-lås.

De første organer og tredje organer kan passende utføres som en reguleringssløyfe og gjennomsnittlig effekt, de andre og tredje organer kan passende utgjøres av en regule-ringssløyf e for toppeffekt. Ved utførelsesformer i følge foreliggende oppfinnelse kan reguleringssløyfen for gjennomsnittlig effekt og reguleringssløyfen for toppeffekt kunne betjenes med den samme forhåndsbestemte tidskonstant.

Ved en anordning ifølge foreliggende oppfinnelsens lære, kan de tredje organer omfatte en modulasjonsregulator og/eller de fjerde organer kan omfatte en forspenningsregulator. Dessuten kan anordningen ifølge den foreliggende oppfinnelsens lære kunne omfatte en laser og/eller datafeilalarm. Ytterligere vil anordningen ifølge oppfinnelsen kunne innbefatte en smalbåndskanal og en bredbåndskanal.

I henhold til foreliggende oppfinnelsens lære er det gitt anvisning på en fremgangsmåte for styring av den optiske utintensitet fra en laserdiode som benyttes i et optisk kommunikasjonssystem for periodevis utsending av data, idet laserdioden mottar strøm fra en pulsstrømtilførsel og en forspenningsstrømtilførsel, hvilken fremgangsmåte omfatter følgende trinn: å motta en del av den optiske utgang fra laserdioden og å levere et første signal med en størrelse som er representativ for den gjennomsnittlige utintensitet fra nevnte laserdiodes optiske utgang, å motta en del av den optiske utgang fra nevnte laserdiode og å levere et andre signal med en størrelse som er representativ for topputgangsintensiteten fra den optiske laserdiodes utgang, å sammenligne størrel-sen av det største signal med et referansestrømsignal og å justere den gjennomsnittlige utintensitet slik at den forblir hovedsakelig konstant, og å sammenligne størrelsen av det andre signal med et

referansestrømsignal og å justere topputgangsintensiteten slik at denne forblir hovedsakelig konstant.

Følgelig er det en hensikt med den foreliggende oppfinnelse å skaffe en laserdriver som ikke er følsom overfor DC ubalanse ved utsendte datasignal.

En annen hensikt med foreliggende oppfinnelse er å fremskaffe en laserdriver som bruker en forholdsvis liten tidskonstant i sine reguleringssløyfer.

Nok en hensikt med den foreliggende oppfinnelse er å skaffe en laserdriver der prosess, temperatur og tilførselsvaria-sjoner blir undertrykt.

Enda en hensikt med den foreliggende oppfinnelse er å skaffe en laserdriver ved hvilken det på enkel måte kan velges et arbeidspunkt, både under og over forspennings-punktet.

Kort omtale av tegningsfigurene

Ytterligere hensikter, fordeler og nye trekk ved den foreliggende oppfinnelse vil fremkomme fra den følgende detal-jerte beskrivelse av oppfinnelsen tatt i forbindelse med de vedføyde tegningsfigurer. Figur 1 viser en typisk GaAs/Gai-xAlxAs laser; Figur 2 viser lede- og valensbåndkantene under store positive forspenninger i laseren i følge figur 1; Figur 3 viser brytningsindeksprofilen og profilen for det optiske felt (fundamental modus) relatert til figur 2; Figur 4 er en kurve som viser typisk laserdiodeoppførsel basert på temperaturendringer og aldring; Figur 5 er et kurvediagram som viser forskjellige variabler som knytter seg til modulering av laserdiode; Figur 6 er et blokkdiagram over en laserdriver i henhold til den foreliggende oppfinnelsens lære.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Det skal nå vises til de vedføyde tegningsfigurer der like eller lignende elementer betegnet med samme henvisningssym-boler ved de forskjellige riss, og mer spesielt skal det vises til figur 1 der det er vist en laserdiode 10. Laserdioden 10 vil bli omtalt i ytterligere detalj i det følgen-de for å lette forståelsen av laserdiodestyreteknikken og anordningen ifølge foreliggende oppfinnelse.

Slik det er kjent for fagfolk på området kan den høye bæredensitet som er nødvendig for oppnåelse av forsterkning i en halvleder, oppnåes med moderate strømdensiteter nær overgangsområdet for en p-n diode. Den mest viktige klasse av halvdiodelasere er basert på III-V halvledere. Et system er basert på GaAs og Gai-xAlxAs. Den aktive region i dette tilfelle er GaAs eller Gai-xAlxAs. Indeksen x indikerer den brøkdel av Ga atomene i GaAs som blir erstattet av Al. De resulterende lasere emitterer (avhengig av den aktive regionmolarbrøkdel x og dennes doping) med en bølgelengde mellom ca. 0,075 og 0,88 mikrometer. Denne spektralregion er passende for korte strekk ("short-haul") (>2km) av optisk kommunikasjon i silisiumoksid fibre.

Et annet system har Gai-xInxAsi-yPy som sin aktive region. Laseren emitterer i frekvensspektralområdet 1,1 til 1,6

mikrometer avhengig av x og y. Området nær 1,55 mikrometer er spesielt fordelaktig, fordi optisk fibre med tap så små som 0,15 dB/km ved denne bølgelengde er tilgjengelige, noe som gjør dette spesielt ønskelig for optisk kommunikasjon med høy datahastighet over lengre avstander.

Slik det spesielt fremgår av figur 1, er det der vist en generisk GaAs/Gai-xAlxAs laserdiode 10. Denne laserdiode 10 har en tynn (0,1-0,2 mikrometer) region av GaAs 12 som er lagvis anordnet mellom to regioner av Gai-xAlxAs med motsatt doping 14, 16, hvilket således danner et dobbelt hetero-sjikt. Innholdet i figur 2 vil være til hjelp til å forkla-re grunnlaget for denne konstruksjon. Figur 2, slik det allerede er nevnt ved den korte omtale av tegningsfigurene, viser lede- og valensbåndkantene (betegnet med henholdsvis 18 og 20) i en typisk heterosjiktdiode ved full forover forspenning. Et nøkkelelement ved denne konstruksjon er formingen av potensialrønner for elektroner av høyde delta Ec 22 som faller sammen romlig med en brønn for huller av høyde delta Ev 24. Diskontinuiteten i energigapet skyldes dennes avhengighet i Gai-xAlxAs relatert til Al molarfrak-sjonen x. Ved foroverrettet forspenning eVa ~ Eg, vil de store densiteter av injiserte elektroner (fra n siden) og hull (fra p siden) i brønnen bevirke at diverse tilstand i denne region vil bli tilfredsstilt, slik at utstråling ved omega tilfredsstiller ligningen

Efc - Efv > h bar (dette er Plancks konstant dividert med 2 pi) ganger omega,

blir forsterket i brønnen. Dette GaAs indre lag der stimu-lert emisjon finner sted, er betegnet som den aktive region. For maksimal forsterkning er det nødvendig å begrense lyset så stramt som mulig til den aktive region fordi lys som vandrer utenfor denne region ikke gir opphav til stimu-lert emisjon, hvilket ikke bidrar til forsterkningen. Denne begrensning blir frembrakt ved en dielektrisk bølgeledende effekt på grunn av det forhold at en senkning av energigapet hos en halvleder bevirker en økning i brytningsindeksen slik at den omtalte Gai-XA1X As/GaAs/Gai-xAlx As lagsammen-stilling virker som en dielektrisk bølgeleder med en moda-lenergi konsentrert i den aktive region. Indeksfordelingen og den modale profil av en typisk heterosjiktlaser vist på figur 3. Brytningsindeksen har en avhengighet i forhold til

x betegnet med delta n, hvilket er tilnærmet likt - 0,7x.

På figur 4 er det grafisk vist typisk oppførsel av laserdiode, hvilken oppførsel ble diskutert i beskrivelsen vedrø-rende tidligere tilhørende teknikk. Figur 4 viser at laserdiode-terskelstrømmen øker og hellningseffektiviteten (dP/dl) øker, etterhvert som omgivende temperatur øker og/eller laserdioden eldres.

Figur 5, slik det er angitt tidligere, viser en flerhet av signifikante variabler som er involvert ved modulasjon av en laserdiode. På figur 5 indikerer Ibias forspenningsstrøm-rrten og. Im0d den omtalte modulasjonsstrøm. Pmax utgjør den maksimale optiske effekt eller toppeffekten. Ekstinksjonsforholdet, som også er omtalt i beskrivelsen vedrørende tilhørende teknikk, er betegnet som PmaxPmin-

På figur 6 er det vist en laserdriver 40 i henhold til den foreliggende oppfinnelsens lære. Driveren 40 omfatter enkel maskinvare i forhold til tidligere kjente drivere, og dessuten tillater den integrering av et forholdsvis stort antall av funksjoner på en eneste brikke. Det skal forståes at den stiplede linje 42 kan betraktes som å betegne av-grensningen av den integrerte krets ("IC"), nemlig en IC i henhold til den foreliggende oppfinnelse som omfatter, slik det vil bli omtalt i detalj i det følgende, utgangstrinn med stor strøm, styresløyfer, samt konstruksjoner som utfører vedlikehold. Driveren er også oppbygget med en bredbånds- og en smalbåndskanal.

Med hensyn til data/HF grensesnitt for driveren 40, er det på figur 6 vist datainngangssignaler D1/ND1 (sann/ikke sann, respektive) og representert på figur 6 med henvis-ningsbetegnelser 44 og 46. Likeledes er det vist klokkeinn-gangssignaler CK/NCK (sann/ikke sann, respektive) og representert på figur 6 med henvisningstall 48 og 50 samt monitorinngang MI/NMI (med maksimal inngangsstrøm på 1 mA) vist og representert på figur 6 med henvisningstall 52 og 54. Data/HF grensesnittutgang omfatter laserdiode-utsignal LDO, et invertert utgangssignal fra laserdiode NLDO, samt vedli-keholdssløyfe Al sanne og inverterte utganger LAI og NLA1. De omtalte utsignaler er vist og representert på figur 6 med henholdsvis henvisningstall 56, 58, 60 og 62.

Med hensyn til styresignaler og Y-grensesnittsignaler foreligger det to grunnleggende analoge inngangssignaler til driver 40. Disse utgjør den optiske effektdifferanse for modulasjonssignal OPRM og den optiske effekt for forspenningssignal OPRB. Nevnte OPRM signal fremskaffer en referanseinngang for justering av modulasjonsverdien for den optiske uteffekt, hvilket vil si nivåforskjellen mellom optisk '1' og optisk '0'. Nevnte OPRB signal, på den annen side, skaffer en referanseinngang for justering av den gjennomsnittlige verdi av den optiske uteffekt. Nevnte OPRM signal og OPRB signalet er vist og representert på figur 6 med henholdsvis henvisningstall 64 og 66.

Det foreligger en flerhet av ekstra innganger til drivkret-sen 40. Generelt foreligger disse innganger for testformål. Via disse innganger vil verdiene av de interne referanser kunne endres. Alle de interne referanser inne i driverkret-sen 40 har sine egne normaliserte verdier, men disse normaliserte eller standardiserte verdier kan endres om nødven-dig ved tilføyelse av en ekstern referansestrøm.

Hver intern referansekilde med en ekstern referanseinngang arbeider på samme måte. Dersom en ekstern referanseinngang er lav (for eksempel lavere enn -4V), vil den normaliserte verdi bli benyttet. Dersom en strøm påtrykkes inngangen vil denne gå høy (for eksempel over -4V). Dette vil effektivt slå av den interne referansekilde og bevirke en avspeiling av den eksterne strøm til bruk som ny intern referanse.

Fire av nevnte ekstra innganger utgjøres av SRC1, SRC2 IRD, og IRMB. SRC1 og SRC2 kan være koblet til Y-grensesnittet og kan justeres eksternt utenfor TR-modulen, om dette måtte være nødvendig. SRC1 og SRC2 er effektive i forbindelse med "slew rate" styring. SRC1 og SRC2 skaffer referanseinngang for styring av den positive og negative hellning av lase-rens inngangssignal for optimalisering av signalet for hver implementering dersom de normaliserte verdier ikke er tilstrekkelige. Det er ikke nødvendig å koble SRC1 og SRC2 signalene direkte til Y-grensesnittet, og disse signaler kan justeres direkte på TR-modulen. Normaliseringsverdien for SRC1 kan være over 100 ua. Den normaliserte verdi for SRC2 kan være ca 4% av modulatorstrømmen.

Det er viktig å merke seg at SRC1 og SRC2 signalene som nettopp er omtalt, utgjør visse sider av visse utførelses-former for den foreliggende oppfinnelse. Andre utførelses-former for den foreliggende oppfinnelse, hvilke utførelses-former mangler SRC1 og/eller SRC2 signaler og/eller disse signaler som er beskrevet tidligere, gis det også mulighet for. For eksempel ved en utførelsesform ifølge den foreliggende oppfinnelse som reelt er blitt konstruert, har man erstattet signalene SRC1 og SRC2 som omtalt med ett eneste signal betegnet IRRC, hvilket signal utfører nevnte SRC1 og SRC2 funksjoner omtalt tidligere. Slike modifikasjoner skal forståes dithen at de utgjør aspekter ved den foreliggende oppfinnelse innenfor beskyttelsesomfanget for de vedlagte patentkrav.

Nevnte IRD- og IRMB-signaler kan bare justeres internt på undermodulen. Nevnte IRD-signal skaffer referanseinngang for strømmen og detektorkretsen. Den normaliserte verdi for et IRD-signal kan være ca. 10 \ iA. Nevnte IRMB-signal skaffer en referanseinngang for strømmen i integratorkretsene, mod reg og bias reg. En typisk normalisert verdi for et IRMB-signal kan være ca. 10 fiA.

FC1 og FC2 er frekvenskompenserende koblinger. Disse koblinger finnes for kompensering av den langsomme monitor PIN diode. Toppverdien for monitorsignalet vil være avhengig av det frekvensspektrum som finnes i datasignalet. Dette bevirker en avhengighet i det optiske utgangsnivå når det foreligger en alternering mellom forskjellige frekvensspek-tra rundt eller over båndbredden for monitor PIN dioden. Denne avhengighet kan dels kompenseres for ved tilkobling av en induktor mellom FC1 og FC2. En eksempelvis verdi for denne induktor kan være ca. 50 nH. Denne kompensasjon kan også utelates under fremstillingsprosessen eller rett og slett å koble en lask mellom de to underlag ("pads").

En alternativ løsning har oppfinneren for den foreliggende oppfinnelse implementert for denne båndbreddekompensasjon. En ekstra inngang, BWC (båndbreddestyring), kan tilføyes kretsen. Denne inngang kan styre båndbredden av datarefe-ransesignalet via forsterkeren 96, slik at utsignalet fra kretsen 96 vil nesten se ut som utsignalet fra monitorfor-sterkeren 97. Denne funksjon kan øke den brukbare båndbred-deregion for kretsen, noe som fører til en riktig regulering selv om det foreligger en båndbreddebegrensning i monitordioden.

Hva angår digital inngang foreligger det en flerhet av signaler, som allerede er passende nevnt. Ved dette saks-forhold vil CMOS nivåer som man har referert til, være

negative 5 volt slik at høyden eller H er lik 0 volt og lav eller L er lik negative 5 volt. Den lukkede sløyfe Al eller CLA1 signalet 72 lukker sløyfen Al ved å klargjøre utgangen fra sløyfen Al. H er lik tilkoblet sløyfe Al. Effekt ned

eller PD signal 74 er en inngangskommando effekt ned. For dette PD signal vil betegnelsen høy være lik effekt ned. Den selekterte smalbåndsmodus eller SNBM-signalet 76 inn-stiller laserdriveren til en smalbåndstrafikkmodus. For dette signal utgjør høy lik klargjør. Datainngangen i det smale bånd eller NNBDI-signalet 78 er en negativ smalbånds-datainngang når laserdriveren arbeider i smalbåndstrafikkmodus . CMOS nivåer refererer seg til negative 5 volt, invertert. Betegnelsen høy på inngangene gir ingen optisk utgangseffekt. For de nevnte PD-, SNBM- og NNBDI-signaler i en driver 40 i henhold til foreliggende oppfinnelse, vil

den følgende sannhetstabell kunne:

SannhetStabell

modus

Klokkeklargjøringssignalet eller CKE 80 klargjør klokking av datasignalet. Dersom nevnte CKE-signal er høy svarer dette til klokkede data. Et NADC signal 82 tilføyer ytterligere .kapasitans til toppdetektoren i detektorkretsen, dersom dette måtte være nødvendig. Betingelsen lav gir ekstra kapasitans. Dette blir koblet ved hjelp av en lask på underbæreren.

To digitale utsignaler svarer til en negativ laserfeilalarm eller NLFA alarm 84 og en negativ laserdatafeilalarm innebærer NLDFA alarm 86. Nevnte NLFA-signal 84 gir alarm dersom det ikke detekteres noen optisk effekt i monitoren. For dette signal vil tilstand lav være lik alarm. NLDFA-signalet 86 gir alarm når det ikke forekommer noen strømda-ta på datainngangen. For dette signal innebærer tilstand lav alarm.

Driveren 40 har 5 testpunkter plassert i nærheten av dri-verbrikken for testing av interne signaler ved tilkobling av eksterne kompensasjonskomponeneter. Disse fem testpunkter er betegnet TPM, TPB, CTS, TP1 og TP2. TPM-testpunktet 88 er for testpunktmodulasjon. TPB-testpunkt 90 er for testpunktforspenning. TPM og TPB er for reguleringsspenninger. Det er mulig å tilsidesette denne iboende regulering ved å legge et tvang på disse punkter, noe som tillater ekstern regulering av de optiske signaler. Eksterne konden-satorer kan også være tilkoblet til disse testpunkter dersom dette måtte være nødvendig for økning av tidskonstanter i integratorene. Nevnte CTS-testpunkt 92 relaterer seg til brikketemperatur. En temperaturavfølende komponent 94 har tilknytning til dette testpunkt 92. Ved utførelses-former for laserdriveren 40 i følge den foreliggende oppfinnelse, kan en flerhet av temperaturfølere plasseres på forskjellige steder på brikken. Disse følere kan selekteres en om gangen og kobles til utgangen CTS. Disse følere kan selekteres signalene NNBDI og SNBM. TP1 og TP2 utgjøre eventuelle eller valgfrie testpunkter.

Med hensyn til funksjon omfatter laserdiodedriveren 40 seks deler: en dataklokking og signalbane, en modulasjonsregulator, en forspenningsregulator, en modulator, en overvåk-ningsdel, og en del for trafikk med lav effekt og redusert bit hastighet, hvilket utgjør smalbåndstrafikk ved ca. 200 kilobiter pr. sekund. Generelt vil man ved utførelsesformer ifølge den foreliggende oppfinnelse ha smalbåndsmodulasjon som arbeider inne et område fra 0 og opp til et eller annet entall av M/biter/s og bredbåndsmodulasjon som arbeider fra Mbiter/s opp til Gbiter/s. Hver av disse deler vil nå bli omtalt i enkeltavsnitt i det følgende.

Dataklokking og signalbanen omfatter en D-lås for klokking inn data. Denne bane omfatter ytterligere en driver for en ekstra utgang, hvilket utgjøres av utgangen fra sløyfen Al. Denne ekstra utgang blir klargjort ved hjelp av et styresignal. Spesielt vil denne bane håndtere intern distribue-ring av data. Ved utførelsesformer ifølge den foreliggende oppfinnelse vil selve D-låsen kunne forbikobles ved hjelp av et styresignal.

Modulasjonsregulatoren omfatter modulasjonsstrømregulato-ren. Ved denne del blir det optiske '1' nivå detektert av en monitordiode og sammenlignet med "OPRM" referansesignalet. Denne sammenligning utføres i elementet 99 og vil effektiv bestemme den optiske amplitude, optisk '1' - optisk '0', på laserdiodens P/I overføringskurve. Ved utførelsesformer ifølge oppfinnelsen blir modulasjonen alltid justert slik at det optiske amplitudeeffektnivå forblir konstant. De funksjoner som utføres av denne del, vil effektivt kompensere for variasjoner i den eksterne differensileffektivitet for laserdioden på grunn av tempe-raturvirkninger og aldringsvirkninger.

Den forspennende regulatordel for laserdriveren 40 omfatter en forspenningsstrømregulator. I denne del blir det optiske gjennomsnittlige nivå detektert av monitordioden og sammenlignet "OPRB" referansesignalet. Ved hjelp av denne regulator, spesielt elementene 98 og 100 vist i figur 6, blir forspenningsstrømmen fra laserdriverkretsen regulert sammen med modulasjonsstrømmen, slik at den optiske '0' uteffekt alltid er konstant. De funksjoner som utføres av denne del, vil effektivt kompensere for variasjoner i terskelstrømmen på grunn av variasjoner hva angår aldring og temperatur. Denne del og modulasjonsdelen 102 vil sammen holde de optiske uteffektnivåer for nevnte '0' og '1' konstant og uavhengig av gjennomsnittlig temperatur, variasjoner i tilførselsspenning, aldringsvirkninger for laserdioden, og lignende.

Den sammenligning som utføres i denne del av en laserdriver i henhold til foreliggende oppfinnelse, utgjør et betydelig fremskritt i forhold til kjent teknikk og en sak av spesi-ell interesse for fagfolk på dette tekniske område. Generelt vil en sammenligning bli utført mellom "dataspennings-referansen" og "monitorspenningsreferansen". Spesielt blir det utført en sammenligning mellom henholdsvis toppverdiene og gjennomsnittlige verdier for disse to spenninger.

I direkte tilknytning til hva som nå er sagt, så skal det forståes at den teknikk ved hvilken de to spenninger blir

fremskaffet, bevirker at disse blir elektrisk like. Således skaffer modulatoren 96 og monitorfrontenden 97 (se figur 6) en symmetrisk balanse. Dersom man sammenfatter det ovenstå-ende, så kan det sies at de to referansestrømmer styrer en modulator 96 som modulerer datasignalet i forhold til en intern referansespenning. Monitorstrømmen omformer seg i en monitorfrontende 97 til en monitorspenning. Følgelig vil de to referansestrømmer avspeile den gjennomsnittlige og den største strøm i monitorstrømmen og datasignalet vil avspeile datamønsteret i monitorsignalet.

Modulatoren omfatter utgangstrinnet for laserdriveren og en justerbar krets for modulasjonsstyring. Elementer 102 og 104 vist på figur 6 danner del av denne modulasjon. Styre-kretsen for justerbar modulasjon styrer den positive og negative hellning for utgangen fra laserdioden. Stigetider og falletider for signalet kan justeres for optimalisering av signalet for laserdioden og for koblingene mellom den driver og en laser som har tilknytning til nevnte. Denne mulighet tillater delvis reduksjon av den straff eller begrensning som bevirkes av viss tilpasning i laserdiode-forbindelser, hvilke forbindelser varierer ved forskjellige implementeringer.

Den overvåkende del av laserdriveren utfører to overvåk-ningsfunksjoner. En slik funksjon går ut på en laserfeilalarm. Denne alarm 106 aktiviseres i tilfellet av en feil i en laser eller en monitor. Alarmkretsen avføler de to reguleringsspenninger TPB og TPM, og dersom en eller begge blir "fastheftet" til tilførselsskinnene for begrenset effekt til denne krets, vil dette indikere at reguleringen er i ustand og på sin side at laseren er i ustand. På dette punkt vil utalarmen kunne og burde bli påvirket. Den annen funksjon er en datafeilalarm. Denne alarm 108 aktiveres når det ikke foreligger strømdata for overføring via datainngangen.

Den del av laserdriveren 40 som vedrører lav effekt/smalbånd, håndterer laveffekttrafikk med redusert bithastighet. Smalbåndet har en bithastighet fra 0 til noen Mbiter/s. Ved ISDN U-grensesnittet 2B+D foreligger det en bithastighet på 160 kilobiter pr. sekund. Det spares effekt ved bruk av lav båndbredde og en modifisert modulasjonstek-nikk av laseren. Typisk vil en laser arbeide ved at den er fullstendig på eller fullstendig av. Når optiske 'l'ere blir overført vil laseren vanligvis arbeide med samme effekt som bestemt ved "OPRB" og "OPRM" referansene. Når det utsendes '0'ere blir sendt ut vil forspenningen være slått av. I et slikt tilfelle vil den innkommende smale bånddatastrøm modulere laseren direkte. Effektavgivelse blir også redusert ved bruk av bifasekoding og ved avkort-ning av pulsene. Smalbånddelen bruker forspenningsstrøm-trinnet til å modulere laseren i stedet for modulatoren 104 .

Av den hittil fremsatte beskrivelse og de tilhørende tegningsfigurer vil det kunne forståes at laserdriveren ifølge den forliggende oppfinnelse basere seg på en bipolar CMOS prosess.

Prosessen ifølge den foreliggende oppfinnelse er generelt tiltenkt for digitale anvendelser. Mer spesielt kan en brikke for en laserdriver tjene som et grensesnitt mellom en elektrisk bane og en laserdiode. Laserdriverbrikken i henhold til den foreliggende oppfinnelsens lære kan brukes også i forbindelse med andre, lignende anvendelser.

Ved hjelp av et ikkebindene eksempel som vil bli omtalt i det følgende, angis det anbefalte driftsbetingelser, elek-triske karakteristikker, samt styresignal/Y-grensesignal for en utførelsesform for oppfinnelsen.

Foreslåtte driftsbetingelser

Data/HF grensesnitt

Alle verdier er referert til 0 og -5 V tilførselsspenning Data/klokkeinngang

Datautgang (LAI)

Monitorinngang

Styresignaler/ Y- grensesnittsignaler Analog inngang OPRM modulasjonsreferansestrøm inn

OPRB forspenningsreferansestrøm inn

SRC1/SRC2, ekstern referanseinngang for styring av hellnin-ger i utgangssignal til LD er nødvendig.

Ikke klargjort, spenningsnivå lavere enn -4 V.

Fagfolk på dette område burde nå kunne erkjenne at laserdriveren i henhold til den foreliggende oppfinnelse utfører sammensigning mellom reelle verdier fra en monitordiode og ønskede verdier fra et internt nettverk. Disse to databaner er i virkeligheten like. Den gjennomsnittlige strøm og toppstrømmen for monitoren blir avspeilet ved de to eksterne referansestrømmer OPRB og OPRM. Datasignalene fra moni-torf orsterkeren og dataforsterkeren ser like ut. Alt det foregående gir opphav til en flerhet av fordeler. En slik fordel går ut på undertrykkelse av mønstervariasjoner. Kretsen i henhold til foreliggende oppfinnelse er ikke følsom overfor DC balanse for de utsendte datasignaler. Videre vil sammenligningen mellom de to nesten like signaler tillate reduksjon i tidskonstanten i sløyfene. Videre enda, vil de to regulatorsløyfer, toppeffekten og gjennomsnittlig effekt, modulator og forspenning, samarbeide. Deres tidskonstanter kan være den samme. Dette er i motset-ning til andre systemer der en forskjell på 5 til 10 ganger er nødvendig. Ytterligere enda, vil en nesten perfekt symmetri under drift undertrykke variasjoner som skyles prosess, temperatur og tilførsel. Laserdriveren i henhold til foreliggende oppfinnelse utfører meget nøyaktig regulering. Regulering av gjennomsnitt og toppverdi tillater at man velger ønsket arbeidspunkt under og over forspenning.

Det torde være klart at en flerhet av modifikasjoner og variasjoner kan muliggjøres i lys av den fremsatte lære. For eksempel, idet den spesifikke utførelsesform for oppfinnelsen som er beskrevet her, er tildannet for en digital datastrøm, vil en utførelsesform ifølge oppfinnelsen også kunne fremskaffes for en analog anvendelse der datastrømmen er et sinusformet signal som er frekvensmodulert, fasemodu-lert eller modulert på hvilken som helst annen måte. Som et annet eksempel har oppfinneren av den foreliggende oppfinnelse valgt en gjennomsnittlig og topprelatert kombinasjon (NB: det foreligger tre forskjellige detektorer for måling av to punkter på P/I kurven for laserdioden, bunn-, gjen-nomsnitts- eller toppdetektor, og det foreligger tre mulig-heter for kombinasjon av disse detektorer: bunn og gjennomsnitt, bunn og topp, eller gjennomsnitt og topp), fordi detektering av gjennomsnitt er enkel og nøyaktig og dersom detektering av toppverdi ikke fungerer, bør det i det minste være en regulering for gjennomsnittlig effekt i virksomhet. Fagfolk på området vil imidlertid forstå at detektor for gjennomsnitt kan erstattes av en detektor for minimum topp eller bunn i en laserstyreanordning. I virkeligheten vil en slik kombinasjon av bunn og topp sannsyn-ligvis gi en meget nøyaktig regulering som P/I kurven for laserdioden er bøyet og radiusen for bendet er temperatur-avhengig (noe som finner sted med noen laserdioder, spesielt når det foreligger en høy drivstrøm og høy temperatur). Fra kretsens synspunkt foreligger det en meget enkel måte å effektuere disse endringer. Det innebærer å bytte ut detek-torene i relasjon til den foretrukne kombinasjon, med den første detektor som blokk 98 og den andre som blokk 99. Når slike detektorblokker blir benyttet vil selvsagt bunnverdi i stedet for gjennomsnittlig verdi bli detektert. Imidlertid vil funksjonelt alt om innbefatter resten av kretsen, forbli det samme. Andre endringer og variasjoner som fører til andre utførelsesformer for foreliggende oppfinnelse, er selvsagt også mulig. Følgelig vil man innenfor omfanget av de vedlagte patentkrav kunne la den foreliggende oppfinnelse bli brakt til utførelse på andre måter enn det som er beskrevet her.

Claims (9)

1. Anordning for styring av den optiske utgangsintensiteten til en laserdiode til bruk i et optisk kommunikasjonssystem for periodisk utsending av data idet nevnte laserdiode mottar strøm fra en pulsstrømtilførsel og en forspen-ningsstrømtilførsel som omfatter: • et første middel som mottar en del av den optiske utgangseffekten fra nevnte laserdiode og leverer et første signal med en størrelse som er representativ for den gjennomsnittlige utgangsintensiteten til den optiske utgangsverdien fra nevnte laserdiode, • et andre middel som mottar en del av den optiske utgangseffekten fra nevnte laserdiode, og leverer et andre signal med en størrelse som er representativ for spissverdien til den optiske utgangsverdien fra nevnte laserdiode, • et tredje middel (98) som sammenligner størrelsen på det første signalet med et referansestrømsignal og justerer den gjennomsnittlige utgangsintensiteten slik at den forblir hovedsakelig konstant, • et fjerde middel (99) som sammenligner størrelsen på det andre signalet med et referansestrømsignal og justerer spissverdien til den optiske utgangsverdien slik at den forblir hovedsakelig konstant, karakterisert ved at nevnte første middel og nevnte tredje middel utformer en del av en gjennomsnitt-seffektreguleringssløyfe, at nevnte andre middel og nevnte fjerde middel utformer en del av en toppeffektsregule-ringssløyfe, og at nevnte gjennomsnittseffektregule-ringssløyfe og nevnte toppeffektsreguleringssløyfe opererer med en felles forhåndsdefinert tidskonstant.

2. Anordning (40) som angitt i krav 1, karakterisert ved at den ytterligere omfatter en konstruksjon som er innrettet til å utføre dataklokking.

3. Anordning (40) som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte tredje middel omfatter en modulasjonsregulator.

4. Anordning (40) som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte fjerde middel omfatter en forspenningsregulator.

5. Anordning (40) som angitt i krav 1, karakterisert ved at den ytterligere omfatter en laserfeilalarm (106).

6. Anordning. (40) som angitt i krav 1, karakterisert ved at den ytterligere omfatter en datafeilalarm.

7. Anordning (40) som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte anordning omfatter en smalbåndskanal og en bredbåndskanal.

8. Fremgangsmåte for styring av den optiske utgangsintensiteten til en laserdiode til bruk i et optisk kommunikasjonssystem for periodisk utsending av data idet nevnte laserdiode mottar strøm fra en pulsstrømtilførsel og en forspenningsstrømtilførsel som omfatter følgende trinn: • å motta en del av den optiske utgangseffekten fra nevnte laserdiode og å levere et første signal med en størrelse som er representativ for den gjennomsnittlige utgangsintensiteten til den optiske utgangsverdien fra nevnte laserdiode, • å motta en del av den optiske utgangseffekten fra nevnte laserdiode, og å levere et andre signal med en størrelse som er representativ for spissverdien til den optiske utgangsverdien fra nevnte laserdiode, • å sammenligne størrelsen på det første signalet med et referansestrømsignal og å justere den gjennomsnittlige utgangsintensiteten slik at den forblir hovedsakelig konstant, • å sammenligne størrelsen på det andre signalet med et referansestrømsignal og å justere spissverdien til den optiske utgangsverdien slik at den forblir hovedsakelig konstant, karakterisert ved at nevnte første trinn for mottak og nevnte første trinn for sammenligning er utformet som en del av en gjennomsnittseffektregule-ringssløyfe, at nevnte andre trinn for mottak og nevnte andre trinn for sammenligning er utformet som en del av en toppeffektsreguleringssløyfe, og at gjennomsnittseffektre-guleringssløyfen og toppeffektsreguleringssløyfen opererer med en felles forhåndsdefinert tidskonstant.

9. Fremgangsmåte som angitt i krav 8, karakterisert ved at den ytterligere omfatter et trinn som trigger en alarm når nevnte laserdiode feiler.