DE10065838C2

DE10065838C2 - Elektronische Treiberschaltung für einen direkt modulierten Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE10065838C2
Application number: DE10065838A
Authority: DE
Inventors: Karl Schroedinger
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Quarterhill Inc
Priority date: 2000-12-29
Filing date: 2000-12-29
Publication date: 2003-06-26
Anticipated expiration: 2020-12-30
Also published as: DE10065838A1; US20020085599A1; US6587489B2

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Treiberschaltung für einen direkt modulierten Halbleiterlaser.

Es ist bekannt, Laserdioden zur Lichterzeugung in optischen Datenübertragungssystemen einzusetzen. Die optische Ausgangsleistung einer Laserdiode wird dabei durch eine Treiberschaltung festgelegt, die der Laserdiode einen Vorstrom zuführt, der in Abhängigkeit von dem zu übertragenden Datensignal moduliert wird.

Fig. 6 zeigt eine bekannte Treiberschaltung zur direkten Modulation eines Halbleiterlasers bzw. einer Laserdiode 1. Zur Erzeugung eines Konstantstroms (Vorstroms) I4 sind zwei Transistoren T4, T5 vorgesehen. Der Transistor T5 stellt dabei einen Stromspiegel zu dem Transistor T4 dar, das heißt die beiden Transistoren und zugehörigen Ströme sind identisch. Hierdurch wird ein durch den Transistor T5 fließender Referenzstrom Iref dem Transistor T4 als Konstant strom I4 eingeprägt. Der Konstantstrom I4 fließt bei ge schlossenem Transistor T2 in die Laserdiode 1. Der durch die Laserdiode 1 fließende Strom ist gleich I4 (Ivcsel = I4).

Bei der Laserdiode 1 handelt es sich bevorzugt um eine ober flächenemittierende VCSEL (vertical cavity surface emitting laser)-Laserdiode, die in der Regel einen hohen Innenwiderstand aufweist.

Des weiteren ist ein Differenzverstärker vorgesehen, der durch zwei Transistoren T1, T2 gebildet wird, deren Emitter- Anschlüsse an eine Stromquelle T6 angeschlossen sind. An den Basisanschlüssen der Transistoren T1, T2 liegt eine Eingangsspannung VDat an, die das zu übertragende, digitale Datensignal repräsentiert. Sofern ein Logik-Signal anliegt, fließt durch den Transistor T2 ein Strom I2, so dass der durch die Laserdiode 1 fließende Strom um diesen Strom I2 vermindert ist (Ivcsel = I4 - I2). Der Strom durch die Laserdiode 1 und damit die optischen Ausgangsleistung der Laserdiode 1 wird somit entsprechend dem Signal VDat moduliert. Dabei ist der Strom I2 in der Regel kleiner oder gleich dem Strom I4, da der Schwellstrom des Lasers 1 stets fließen sollte. Durch den Transistor T6 fließt der Strom Imod, der im wesentlichen dem Strom I2 entspricht.

Der Nachteil der bekannten Schaltung besteht darin, dass ihre Geschwindigkeit aufgrund eines hohen Ausgangswiderstandes der Schaltung (an den Kollektoren der Transistoren T2, T4) sowie aufgrund eines normalerweise relativ hochohmigen Laserinnenwiderstandes (insbesondere bei der Verwendung von VCSEL-Lasern) begrenzt ist. Dies ist insbesondere bei hohen Bitraten im Gigahertzbereich nachteilig.

Die JP 01-202878 A beschreibt eine Treiberschaltung für einen Halbleiterlaser, bei der ein Peaking der ansteigenden und abfallenden Flanken der Stromimpulse durch einen Halbleiterlaser vorgenommen wird. Dies erfolgt dadurch, dass der Modulationsstrom durch die Laserdiode mittels einer Spannungsregelung entsprechend eingestellt wird. Dabei sind zwei Differenzverstärker vorgesehen, deren Steuersignale zeitlich gegeneinander verschoben sind.

Die US-4 835 780 A beschreibt eine Treiberschaltung für einen Halbleiterlaser, bei der RC-Strukturen für ein Peaking des Treiberstroms für einen Halbleiterlaser beschrieben werden. Diese Schaltung ist relativ aufwendig. Auch erfolgt die Einspeisung zusätzlicher Strompulse über relativ langsame Schaltungsteile wie eine Darlingtonstufe.

Der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute elektronische Treiberschaltung für direkt modulierte Halbleiterlaser zur Verfügung zu stellen, die direkt modulierte Halbleiterlaser auch bei hohen Datenraten bis 12 Gbit/s ansteuern kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektronische Treiberschaltung gelöst, die aufweist:

- erste Schaltungsmitteln zur Erzeugung eines Konstantstroms,
- zweite Schaltungsmitteln mit einem Differenzverstärker, der in Abhängigkeit von einem digitalen Datensignal einen Modulationsstrom erzeugt, der dem Konstantstrom zur Erzeugung eines modulierten Stroms überlagert wird, welcher dem Halbleiterlaser zugeführt wird,
- dritte Schaltungsmitteln, die die Treiberschaltung an den ansteigenden und/oder den abfallenden Flanken des modulierten Stroms durch den Halbleiterlaser niederohmig halten und dazu einen Transistor aufweisen, der im Bereich der ansteigenden und/oder abfallenden Flanken des modulierten Stroms durch den Halbleiterlaser jeweils einen positiven und/oder negativen Stromimpuls bereitstellt, der dem modulierten Strom durch den Halbleiterlaser überlagert wird, welcher dem Halbleiterlaser zugeführt wird, wobei der Transistor mit einem gemeinsamen Knoten der ersten Schaltungsmittel, des Differenzverstärkers und des Halbleiterlasers verbunden ist.

Der Treiber wird somit beim Zuschalten bzw. Abschalten des Modulationsstroms niederohmig gehalten. Hierdurch wird eine Vorverzerrung (Peaking) der ansteigenden und/oder abfallenden Flanken des Signals bzw. Stroms durch den Halbleiterlaser erreicht. Durch die Vorverzerrung können parasitäre Elemente der Treiberschaltung wie parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten kompensiert werden und wird dementsprechend eine verbesserte optische Signalform bereitgestellt, so daß ein Betrieb der Laserdiode auch bei hohen Datenraten von bis zu bis 12 GBit/s möglich ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Transistor der dritten Schaltungsmittel über einen Widerstand mit dem gemeinsamen Knoten der ersten Schaltungsmittel, des Differenzverstärkers und der Laserdiode verbunden. Der Basisstrom des Transistors wird bevorzugt von einer Basis- Emitter-Steuerspannung festgelegt, die während der ansteigen den Flanke des Stroms durch den Halbleiterlaser Peaks aufweist.

Alternativ ist vorgesehen, daß die dritten Schaltmittel sowohl positive als auch negative Spannungspeaks entsprechend den ansteigenden und abfallenden Flanken des Stroms durch den Halbleiterlaser bereitstellen, wobei über einen Stromspiegel an dem Transistor ein Konstantstrom erzeugt wird, der entsprechend einer angelegten Basis-Emitter-Steuerspannung moduliert wird.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Treiberschaltung;

Fig. 2 die zeitliche Abfolge der Signale der Treiberschal tung der Fig. 1;

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsge mäßen Treiberschaltung;

Fig. 4 die zeitliche Abfolge der Signale der Treiberschal tung der Fig. 3;

Fig. 5 die Laserkennlinie bei den Treiberströmen der Treiberschaltung gemäß Fig. 3 und

Fig. 6 eine Treiberschaltung gemäß dem Stand der Technik. Eine Treiberschaltung gemäß dem Stand der Technik war eingangs anhand der Fig. 6 erläutert worden.

Die Treiberschaltung der Fig. 1 weist zusätzlich zu der Stromspiegelschaltung mit den Transistoren T4, T5 und dem Differenzverstärker mit den Transistoren T1, T2 und der Stromquelle T6 für den Modulationsstrom Imod einen NPN-Tran sistor T3 und einen Widerstand R auf. Der Widerstand R dient dabei der Strombegrenzung und muss entsprechend der geforderten Zeitkonstanten dimensioniert werden.

Der Kollektoranschluss des Transistors T3 ist mit einer Bezugsspannung verbunden. Der Emitteranschluss des Transistors T3 ist über den Widerstand R mit dem Knoten zwischen den Transistoren T2 und T4 verbunden, an den die Laserdiode 1 angeschlossen ist. Der Stromfluss durch den Transistor T3 wird durch einen Basisstrom gesteuert, der durch eine Basis-Emitter-Steuerspannung Vpk erzeugt wird, die jeweils an der ansteigenden Flanke eines Datensignals einen Spannungspuls bereitstellt. Die Spannungspulse der Spannung Vpk werden dabei beispielsweise über das zu übertragende Datensignal getriggert.

Mittels der Spannungsimpulse wird an der ansteigenden Flanke des Signalstroms durch die Laserdiode 1 ein zusätzlicher Stromimpuls bereitgestellt, der den Knoten "Laserdiode 1" schneller auflädt. Hierdurch können parasitäre Elemente, wie die angedeuteten Induktivitäten Lpar und Cpar kompensiert werden.

Durch die zusätzlichen Stromimpulse wird die Treiberschaltung jeweils während der ansteigenden bzw. abfallenden Flanke des Stroms durch die Laserdiode 1 niederohmig.

In Fig. 2 ist das zugehörige Spannungs- und Stromdiagramm in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Das mittlere Signal repräsentiert als VDat das zu übertragende Datensignal, das am Differenzverstärker mit den Transistoren T1, T2 anliegt. Bei Vorliegen eines High-Pegels ändert sich die Signalform des Stroms Ivcsel durch die Laserdiode 1 entsprechend.

Über die Spannung Vpk, die an dem Basis-Anschluss des Transistors T3 anliegt, werden zusätzliche "Peaking-Pulse" P erzeugt, die zusätzliche Strompulse an den ansteigenden Flanken des Signalsstroms Ivcsel durch die Laserdiode 1 bereitstellen.

Bei dem alternativen Ausführungsbeispiel der Fig. 3 erfolgt eine bidirektionale Vorverzerrung des Stroms Ivcsel durch die Laserdiode 1, das heißt es werden sowohl auf die ansteigenden als auch auf die abfallenden Flanken des Signals Peaking- Pulse gegeben.

Dabei ist ein zusätzlicher Strom I7 durch den Transistor T3 vorgesehen, der durch einen Stromspiegeltransistor T7 erzeugt wird. Hierdurch wird der Transistor T3 immer im aktiven Betrieb gehalten, auch wenn die Emitterspannung von T3 unter die Anodenspannung der Laserdiode 1 fällt. Dadurch ist es möglich, (negative) Peaking-Pulse auch an der negativen Flanke des Signales einzuprägen und damit auch die negative Flanke des Signals zu beschleunigen. Dabei muss der Konstantstrom I4 eventuell etwas erhöht werden, damit sich durch etwaige Stromverluste von I4 über dem Widerstand R und T7 die Stromverhältnisse im Laser 1 nicht ändern. Dies ist abhängig von der Dimensionierung von R, Vpk und I7.

In Fig. 4 sind die zugehörigen Signalverläufe in Abhängig keit von der Zeit dargestellt. Das zu übertragende Datensi gnal liegt wiederum als VDat an dem Differenzverstärker mit den Transistoren T1, T2 an. An der ansteigenden Flanke und der abfallenden Flanke des Datensignales liegt jeweils als Vpk ein positiver bzw. negativer Peaking-Puls bzw. Vorverzerrungspuls P an dem Basis-Anschluss des Transistors T3 an. Dies führt dazu, dass der Strom Ivcsel durch die Laserdiode 1 an den jeweiligen Flanken erhöht bzw. erniedrigt ist.

In Fig. 5 ist die Laserkennlinie des Lasers 1 bei Verwendung von Treiberströmen entsprechend den Fig. 1 und 3 dargestellt.

Dabei ist die Lichtleistung P_Las der Laserdiode 1 in Abhängigkeit von dem Strom I_Las durch den Laser dargestellt. Der Strom durch die Laserdiode weist einen Konstantstrom (entsprechend I4 der Fig. 1 und 3) auf, der auf die Laserstelle Ith gelegt wird. Hierauf wird ein Modulationsstrom Imod gelegt.

Bei einem rechteckförmigen Modulationsstrom Imod weist die Ausgangsleistung P_Las des Lasers entsprechend der durchge zeichneten Linie eine Verzerrung der Signalform an den an steigenden bzw. abfallenden Flanken des Lichtsignals auf. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung von Vorverzerrungspulsen P, die gestrichelt dargestellt sind, wird die optische Signalform des Ausgangssignals L wesentlich verbessert und einem rechteckigen Signal stark angenähert (gestrichelte Signalform L). Hierdurch ist es möglich, die Laserdiode auch bei hohen Datenraten bis zu 12 GBit/s zu betreiben.

Es wird darauf hingewiesen, daß das beschriebene Schaltungsprinzip auch für CMOS-Schaltungen angewendet werden kann. Dabei werden NPN-Transistoren durch n-Kanal FETs und PNP Transistoren durch p-Kanal FETs ersetzt. Die Geschwindigkeit der Treiberschaltung wird dann durch die Transistorbandbreite vorgegeben.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend dargestellten Ausführungsbeispiele. Wesentlich für die Erfindung ist allein, dass die Treiberschaltung zusätzliche Schaltmittel vorsieht, die an einer ansteigenden und/oder abfallenden Flanke des Stroms durch die Laserdiode die Treiberschaltung jeweils niederohmig halten.

Claims

1. Elektronische Treiberschaltung für einen direkt modulierten Halbleiterlaser (1) mit
ersten Schaltungsmitteln (T4, T5) zur Erzeugung eines Konstantstroms (I4),
zweiten Schaltungsmitteln mit einem Differenzverstärker (T1, T2), der in Abhängigkeit von einem digitalen Datensignal (VDat) einen Modulationsstrom (I2) erzeugt, der dem Konstantstrom (I4) zur Erzeugung eines modulierten Stroms überlagert wird, welcher dem Halbleiterlaser (1) zugeführt wird,
dritten Schaltungsmitteln (T3, R), die die Treiberschaltung an den ansteigenden und/oder den abfallenden Flanken des modulierten Stroms durch den Halbleiterlaser (1) niederohmig halten und dazu einen Transistor (T3) aufweisen, der im Bereich der anstei genden und/oder abfallenden Flanken des modulierten Stroms durch den Halbleiterlaser (1) jeweils einen positiven und/oder negativen Stromimpuls bereitstellt, der dem modulierten Strom durch den Halbleiterlaser (1) überlagert wird, welcher dem Halbleiterlaser (1) zugeführt wird, wobei der Transistor (T3) mit einem gemeinsamen Knoten der ersten Schaltungsmittel (T4, T5), des Differenzverstärkers (T1, T2) und des Halbleiterlasers (1) verbunden ist.

2. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor (T3) über einen Widerstand (3) mit dem gemeinsamen Knoten verbunden ist.

3. Treiberschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitteranschluß des Transistors (T3) über den Widerstand (R) mit dem gemeinsamen Knoten verbunden ist und der Basisstrom des Transistors (T3) von einer Basis-Emitter-Steuerspannung (Vpk) festgelegt wird, die im Bereich der ansteigenden Flanken des Stroms durch den Halbleiterlaser (1) Spannungsimpulse aufweist.

4. Treiberschaltung nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, dass der Basisstrom von einer Basis- Emitter-Steuerspannung (Vpk) festgelegt wird, die im Bereich der ansteigenden und abfallenden Flanken des modulierten Stroms durch den Halbleiterlaser (1) positive und negative Spannungsimpulse aufweist, wobei über einen Stromspiegel (T7) an dem Transistor (T3) ein Strom (I7) erzeugt wird, der entsprechend der Basis- Emitter-Steuerspannung (Vpk) moduliert ist und dem modulierten Strom durch den Halbleiterlaser (1) zusätzlich überlagert wird.