DE10160927A1 - Lasertreiber mit offenem Steuerkreis mit einer integrierten, digitalen Steuerung - Google Patents

Lasertreiber mit offenem Steuerkreis mit einer integrierten, digitalen Steuerung

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Abstract

Ein Lasertreiber zum Erzeugen von Treibersignalverläufen, die zum Treiben eines einzelnen VCSEL oder eines Arrays von VCSELs geeignet ist. Eine digitale Steuerung ist in den Lasertreiber integriert und wird während des Betriebs des Treibers zum anfänglichen Programmieren und zum selektiven Einstellen von einem oder mehreren der folgenden VCSEL-Treibersignalverlaufsparameter verwendet: (1) Vorspannungsstrom, (2) Modulationsstrom, (3) negative Spitzenwertbildungstiefe und (4) negative Spitzenwertbildungsdauer. Der Lasertreiber weist einen Alterungsausgleichsmechanismus zum Überwachen des Alters des Lasers und zum selektiven Einstellen der Gleichsignal- und Wechselsignalparamter des VCSEL-Treibersignalverlaufs auf, um die Alterung des Lasers auszugleichen. Der Lasertreiber weist ferner einen Temperaturausgleichsmechanismus zum Überwachen der Temperatur der Treiber-IC und zum selektiven Anpassen der Gleichsignal- und Wechselsignalparameter des VCSEL-Treibersignalverlaufs auf, um Temperaturänderungen auszugleichen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Halb­ leiterlaser und spezieller auf einen Lasertreiber mit offe­ nem Steuerkreis, der eine integrierte, digitale Steuerung zum Liefern von Treibersignalverläufen an Laser aufweist.
Ein optisches Sendermodul ist eine wichtige Komponente in Netzwerksystemen. Der Zweck eines optischen Sendermoduls ist es, Datensignale in elektrischer Form in entsprechende Datensignale in optischer Form umzuwandeln. Auf diese Weise können die Daten als Licht durch ein lichtleitendes Medium, wie z. B. ein Faseroptikkabel, an ein anderes Modul (z. B. ein optisches Empfängermodul) kommuniziert werden.
Das optische Sendermodul verwendet üblicherweise einen La­ ser, um die elektrischen Datensignale in die Lichtdatensi­ gnale umzuwandeln. Ein üblicherweise verwendeter Halblei­ terlaser ist der Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser (VCSEL = Vertical Cavity Surface Emitting Laser). Der VCSEL ist jedoch konfiguriert, um nur mit Eingangssignalen zu ar­ beiten (z. B. Treibersignalverläufen), die speziellen, vor­ bestimmten elektrischen Eigenschaften entsprechen. Die Treibersignalverläufe können sowohl Gleichsignalbetriebspa­ rameter als auch Wechselsignalbetriebsparameter aufweisen. Die Gleichsignalbetriebsparameter können z. B. den Vorspan­ nungsstrom umfassen, um entweder eine Durchschnitts- oder eine Niedrig-Zustand-Ausgangsleistung zu erreichen. Die Wechselsignalbetriebsparameter können den Modulationsstrom, den Spitzenstrom und Zeitkonstantenparameter umfassen, die gepulsten Signalverläufen zugeordnet sind. Die Datensignale weisen diese vorbestimmten elektrischen Charakteristika (z. B. spezifische Gleichsignal- und Wechselsignal- Betriebsparameter) üblicherweise nicht auf. Folglich wird eine Schaltung zum Aufnehmen der Datensignale, und anspre­ chend darauf zum Erzeugen entsprechender VCSEL- Treibersignale (z. B. eines Treibersignalverlaufs) mit den elektrischen Charakteristika gebraucht, die zum Treiben des VCSEL geeignet sind. Diese Schaltung wird üblicherweise als ein VCSEL-Treiber bezeichnet.
Ferner programmiert der VCSEL-Treiber den Treibersignalver­ lauf oder stellt denselben mit bestimmten Gleichsignal- und Wechselsignal-Parametern ein, um die Bitfehlerrate (BER; BER = bit error rate) der faseroptischen Verbindung unter Verwendung des Senders zu optimieren. Die Bitfehlerrate ist einfach eine Messung der Anzahl von Bitfehlern, die durch das Sendermodul verursacht wurden. Ein Bitfehler ist ein­ fach ein Datenfehler, wenn ein Datenwert "1" als ein Daten­ wert "0" gesendet wird, oder wenn ein Datenwert "0" als ein Datenwert "1" gesendet wird.
Es gibt zwei Hauptlösungsansätze bei dem Entwurf von be­ kannten Lasertreibern. Der erste Lösungsansatz verwendet einen geschlossenen Steuerkreis (d. h., er verwendet eine optische Rückkopplung zum Einstellen der Lichtausgangslei­ stung), um die Treibersignalverläufe zu programmieren. Der zweite Lösungsansatz verwendet einen offenen Steuerkreis (d. h., er verwendet keine optische Rückkopplung, um die Lichtausgangsleistung einzustellen), um die Treibersignal­ verläufe zu programmieren. Diese bekannten Lösungsansätze mit ihren zugehörigen Nachteilen werden nachfolgend beschrieben.
Lösungsansätze mit geschlossenem Steuerkreis
Das U.S.-Patent 5,638,390 beschreibt einen exemplarischen Lösungsansatz mit geschlossenem Steuerkreis, der in einer Laserausgangsleistungs-Stabilisierungsschaltung verkörpert ist. Die Laserausgangsleistungs-Stabilisierungsschaltung verwendet eine Photodiode, um die optischen Leistung des Lasers zu überwachen. Das Photodiodenausgangssignal wird mit einer Referenzspannung von einem Digitalpotentiometer verglichen, um den korrekten Gleichvorspannungsstrom für den Laser zu erhalten. Zur Zeit der Herstellung des Senders wird das Digitalpotentiometer zum Optimieren des Gleichvor­ spannungsstroms des Lasers eingestellt. Während des Be­ triebs des Senders wird der Vorspannungsstrom des Lasers angepaßt, wenn eine Änderung des Photodiodenausgangssignals auftritt.
Leider leiden diese Lösungsansätze mit geschlossenem Steu­ erkreis unter mehreren Nachteilen. Erstens steigert die Verwendung der Photodiode die Kosten des optischen Senders. Zweitens bringt die Notwendigkeit der Photodiode Verpac­ kungsbedenken auf, die mit dem Überwachen der Photodioden auf eine solche Weise zusammenhängen, daß diese optimal mit dem VCSEL ausgerichtet sind. Drittens erfordern die Lö­ sungsansätze mit geschlossenem Steuerkreis komplexe Rück­ kopplungsschaltungen, die für jeden VCSEL reproduziert wer­ den müssen, wodurch die Kosten und die Komplexität der Her­ stellung weiter gesteigert werden.
Lösungsansätze mit offenem Steuerkreis
Das Datenblatt für die integrierte Schaltung (IC; IC = in­ tegrated circuit) des AMCC S7011-Senders, die bei Applied Micro Circuits Corporation (AMCC) erhältlich ist, be­ schreibt einen exemplarischen Lösungsansatz mit offenem Steuerkreis. Die S7011-IC scheint fähig zu sein, die Para­ meter des Lasertreibersignalverlaufs Imod und Ibias anzu­ passen, falls ein Eingangssignal von einer externen Quelle (z. B. einem Mikroprozessor) oder ein Eingangssignal von externen Widerständen und Spannungsreferenzen gegeben ist. Leider liefern die bekannten Lösungsansätze mit offenem Steuerkreis, einschließlich des AMCC-Lösungsansatzes, keine oder sehr begrenzte Mechanismen, um den Treibersignalver­ lauf basierend auf Änderungen betreffend das Alter und die Temperatur des Lasers anzupassen. Diese bekannten Lösungs­ ansätze mit offenem Steuerkreis sind ebenfalls nicht in der Lage, ein Programmieren der Übergangsaspekte des VCSEL- Treibersignalverlaufs (z. B. negative Spitzenwertbildung) möglich zu machen.
VCSEL-Arrays
Kürzlich bestand Interesse, von einem einzelnen VCSEL zu einem Array von VCSELs überzugehen, das z. B. eine Mehrzahl von VCSELs sein kann, die in einer Reihe angeordnet sind. Wie zu erkennen ist, kann ein Array von VCSELs verwendet werden, um mehr Daten durch ein Faseroptikkabel mit mehre­ ren Kanälen zu senden, als ein einzelner VCSEL durch ein Faseroptikkabel mit einem einzelnen Kanal senden kann. Lei­ der ist eine der technischen Herausforderungen zum Imple­ mentieren des Arrays von VCSELs, daß die Einheitlichkeit des optischen Signalverlaufs über das VCSEL-Array beibehal­ ten werden muß, um die BER der Faseroptikverbindung zu op­ timieren.
Folglich sind die richtigen Einstellungen für die Gleichsi­ gnal- und Wechselsignal-Parameter der Treibersignalverläufe besonders wichtig für Faseroptiksender, die ein Array von VCSELs verwenden. Die Parameter müssen eingestellt werden, um eine Einheitlichkeit des optischen Signalverlaufs über das VCSEL-Array beizubehalten. Die Einstellung dieser Ei­ genschaften muß am Anfang des Betriebs erfolgen und ferner in periodischen Intervallen während der Lebensdauer des Produkts.
Halbleiter-Elektrisch-zu-Optisch-Sender erfordern oft ein Schema, um die optischen Gleichsignal- und Wechselsignal- Betriebscharakteristika der lichtemittierenden Vorrichtung zu programmieren. Vorzugsweise wird das Programmieren am Anfang der Produktverwendung durchgeführt und periodisch während der Lebensdauer des Senders programmiert. Leider sind die bekannten Lösungsansätze, die die Signalverläufe während der Lebensdauer des Senders periodisch programmie­ ren teuer, komplex zu implementieren und auf Gleichsignal­ parameter begrenzt. Die bekannten Lösungsansätze, die eini­ ge der Wechselstromfragen adressieren, wie z. B. den Modu­ lationsstrom, sind auf ausschließliches Programmieren am Anfang der Produktverwendung beschränkt. Folglich können diese bekannten Lösungsansätze diese Art von Programmierung nicht durchführen, wenn das Produkt ein Programmieren wäh­ rend des Betriebslebensdauer des Treibers erfordert.
Altersabhängigkeit der Lichtausgabe
Idealerweise bleibt das Verhalten des Lasers bezüglich der Lichtausgabe während des Betriebslebensdauer des Lasers konstant. Wenn dies der Fall wäre, könnten die Treibersignalverläufe einmal durch den Lasertreiber programmiert werden und würden keine weiteren Änderungen oder ein Neuprogrammieren erfordern. Leider neigt die VCSEL-Lichtausgabe in Wirklichkeit dazu, im Lauf der Betriebslebensdauer des Lasers schlechter zu werden. Folglich wäre es wünschenswert, einen Mechanismus in dem VCSEL-Treiber zum periodischen Anpassen der VCSEL- Treibersignalverlaufsparameter zu haben, um die Verschlech­ terung auszugleichen. Bedauerlicherweise sind die bekannten Lösungsansätze, die einen Lösungsansatz mit einem offenen Steuerkreis verwenden, wie z. B. der AMCC-Lösungsansatz, auf das Programmieren der Signalverlaufsparameter am Anfang der Produktlebensdauer begrenzt und weisen keinen Mechanis­ mus zum periodischen Anpassen der VCSEL- Treibersignalverlaufsparameter zum Ausgleichen der Ver­ schlechterung auf.
Temperaturabhängigkeit der Lichtausgabe
Ferner wäre die Lichtausgabe des Lasers in einer idealen Situation unabhängig von der Betriebstemperatur. Wenn dies der Fall wäre, würde der Treibersignalverlauf keine Anpas­ sung erfordern, wenn sich die Betriebstemperatur ändert. Leider ist die Lichtausgabe des Lasers in Wirklichkeit ab­ hängig von der Betriebstemperatur. Dementsprechend wäre es wünschenswert, einen Mechanismus zu haben, der die Treiber­ signalverläufe anpasst, wenn sich die Betriebstemperatur ändert. Dadurch können optimale Charakteristika des opti­ schen VCSEL-Signalverlaufs beibehalten werden. Bedauerli­ cherweise bieten die bekannten Lösungsansätze keinen Mecha­ nismus zum periodischen Anpassen der VCSEL- Treibersignalverlaufsparameter an, um die Änderungen der Betriebstemperaturen auszugleichen.
Basierend auf dem Vorangehenden verbleibt ein Bedarf nach einer digitalen Steuermethode und einer Einrichtung für Halbleiterlaser, die die vorangehend ausgeführten Nachteile überwindet.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen opti­ schen Sender, einen Lasertreiber zum Erzeugen von Treiber­ signalverläufen und ein Verfahren zum Liefern eines Trei­ bersignalverlaufs mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen optischen Sender gemäß An­ spruch 1, einen Lasertreiber gemäß Anspruch 9 und ein Ver­ fahren gemäß Anspruch 16 gelöst.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfaßt der Lasertreiber der vorliegenden Erfindung eine integrierte, digitale Steuerung zum Programmieren der Gleichsignal- und Wechselsignal- Parameter des Treibersignalverlaufs, der einen einzelnen VCSEL oder ein Array von VCSELs zur Verwendung in einem fa­ seroptischen Sender treibt. Die digitale Steuerung ist in die Treiber-IC integriert und wird zum Programmieren eines oder mehrerer der folgenden VCSEL- Treibersignalverlaufsparameter verwendet: (1) Vorspannungs­ strom, (2) Modulationsstrom, (3) negative Spitzenwertbil­ dungstiefe und (4) negative Spitzenwertbildungsdauer.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt der Lasertreiber einen Alterungsausgleichsmechanismus zum Überwachen des Alters des Lasers und zum selektiven Anpassen der Gleichsignal- und Wechselsignal-Parameter des VCSEL- Treibersignalverlaufs, um das Altern des Lasers auszuglei­ chen. Vorzugsweise wird ein Zeitgeber verwendet, um das Al­ ter des Lasers zu überwachen.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel umfaßt der Lasertrei­ ber einen Temperaturausgleichsmechanismus zum Überwachen der Temperatur der Treiber-IC und zum selektiven Anpassen der Gleichsignal- und Wechselsignal-Parameter des VCSEL- Treibersignalverlaufs, um die Änderungen der Temperatur auszugleichen. Vorzugsweise wird ein Temperatursensor ver­ wendet, um die Temperatur der Treiber-IC zu überwachen.
Wie vorangehend beschrieben, kann die Optimierung der opti­ schen VCSEL-Signalverlaufscharakteristika in einem Mehrka­ nal-Faseroptiksender eine schwierige Herausforderung dar­ stellen. Der Lasertreiber der vorliegenden Erfindung pro­ grammiert die VCSEL-Treibersignalverlaufsparameter jedes Kanals separat am Anfang und während des Betriebs des Sen­ ders, um optimale optische Signalverläufe für jeden Kanal beizubehalten. Durch Aktualisieren der VCSEL- Treiberparameter während des Senderbetriebs gleicht der La­ sertreiber der vorliegenden Erfindung die Alterung des La­ sers und die Temperaturänderungen aus.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Entwurfsmethodologie für das Program­ mieren des VCSEL-Treibersignalverlaufs geschaffen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf ähnliche Elemente beziehen, näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines exemplarischen Mehrkanal- Faseroptik-Sendermoduls, in dem der Lasertreiber der vorliegenden Erfindung implementiert werden kann;
Fig. 2 ein detailliert den Lasertreiber aus Fig. 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung;
Fig. 3 ein Blockdiagramm, das den Lasertreiber aus Fig. 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegen­ den Erfindung detaillierter darstellt;
Fig. 4 die Treibersignalverlaufs-Formgebungsschaltung aus Fig. 3 detaillierter gemäß einem Ausführungs­ beispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ein Flußdiagramm, das die Schritte darstellt, die durch die Steuerung aus Fig. 2 gemäß einem Aus­ führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aus­ geführt werden;
Fig. 6 ein Flußdiagramm, das die Schritte darstellt, die durch die Steuerung aus Fig. 2 gemäß einem Aus­ führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aus­ geführt werden; und
Fig. 7 einen exemplarischen Treibersignalverlauf, der durch den Lasertreiber der vorliegenden Erfindung erzeugt wird.
Es werden ein Lasertreiber mit offenem Steuerkreis und ei­ ner integrierten, digitalen Steuerung und ein Programmier­ verfahren beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden zu Erklärungszwecken zahlreiche spezifische Details darge­ legt, um ein gutes Verständnis der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Für einen Fachmann ist es jedoch offen­ sichtlich, daß die vorliegende Erfindung ohne diese spezi­ fischen Details ausgeführt werden kann. In anderen Fällen werden bekannte Strukturen und Vorrichtungen in Form eines Blockdiagramms gezeigt, um unnötige Unklarheiten betreffend die vorliegenden Erfindung zu vermeiden.
Der Lasertreiber der vorliegenden Erfindung integriert eine digitale Steuerung, Datenspeicher-/Wiedergewinnungs­ einrichtungen und die erforderlichen Mechanismen zum an­ fänglichen Einstellen und periodischen Anpassen der Parame­ ter des VCSEL-Treibersignalverlaufs für jeden Kanal, um Al­ terung und Betriebstemperaturänderungen effektiv auszuglei­ chen.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines exemplarischen Mehrka­ nal-Faseroptik-Sendermoduls (MCFOTM; MCFOTM = multiple channel fiber optic transmitter module) 90, in dem der La­ sertreiber der vorliegenden Erfindung implementiert werden kann. Das Mehrkanal-Faseroptik-Sendermodul (MCFOTM) 90 kann z. B. ein Sendermodul mit zwölf Kanälen sein. Das Mehrka­ nal-Faseroptik-Sendermodul 90 umfaßt einen Lasertreiber 100 zum Empfangen von Datensignalen 110, und ansprechend dar­ auf, zum Erzeugen von Treibersignalverläufen 112, ein La­ serarray 120, das eine Mehrzahl von Lasern 122 aufweist (z. B. VCSELs), und einen nichtflüchtigen Speicher 130 zum Speichern von Treibersignalverlaufsparametern. Ein Faserop­ tikkabel 124 ist mit dem Laserarray 120 gekoppelt, um Licht aufzunehmen, das durch die Laser 122 in dieselben geworfen wird.
Der Treiberstromsignalverlauf, der der VCSEL-Diode jedes Kanals zugeordnet ist, wird durch den Lasertreiber 100 und den nichtflüchtigen Speicher 130 programmiert. Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt das MCFOTM 90 einen VCSEL- Treiber, ein 1×N-VCSEL-Array und einen EEPROM. Wie nachfol­ gend detaillierter beschrieben wird, umfaßt der Lasertrei­ ber 100 eine digitale Steuerung zum Programmieren und Da­ tenwiedergewinnen.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind 2.N Signalleitungen zwi­ schen dem Lasertreiber 100 und dem VCSEL-Array 120 angeord­ net, wobei N Signalleitungen mit den Anoden der VCSELs ge­ koppelt sind, und N Leitungen entweder mit einer Erdungs­ ebene oder mit den Kathoden der VCSEL gekoppelt sind, ab­ hängig von dem Typ des VCSEL und der Konfiguration des La­ sertreibers 100. Es wird darauf hingewiesen, daß N die An­ zahl der Kanäle ist, die in das Mehrkanal-Faseroptik- Sendermodul 90 eingelagert sind.
Ein Zugriffspunkt 140 ist zum Lesen und Schreiben von Daten in den Speicher 130 und den Lasertreiber 100 vorgesehen. Wie nachfolgend hierin detaillierter beschrieben wird, kann der Zugriffspunkt 140 zum Kommunizieren von Testsignalen und Daten an den Lasertreiber 100 und den Speicher 130 ver­ wendet werden.
Lasertreiber
Fig. 2 stellt den Lasertreiber 100 aus Fig. 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung detaillier­ ter dar. Der Lasertreiber 100 umfaßt eine Steuerung 200, eine Mehrzahl von Treiberparameterregistern (210, 214, 218, 224) zum Speichern von Treiberparametern, einen Altersaus­ gleichsmechanismus 240, einen Temperaturausgleichsmechanis­ mus 250, eine Fehlerbestimmungsschaltung 260, eine Mehrzahl von Digital-zu-Analog-Wandlern (DAW) 234, eine Treibersi­ gnalverlaufs-Formgebungsschaltung 238, ein Altersregister 280 zum Speichern eines Alterswerts und ein Fehlerregister 290 zum Speichern eines vorbestimmten Fehlerwerts.
Integrierte digitale Steuerung 200 in der VCSEL-Treiber-IC
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Integration einer digitalen Steuerung 200 in den Lasertreiber 100. Der Lasertreiber 100 der vorliegenden Erfindung verwendet die Steuerung 200 zum digitalen Programmieren der Gleichsignal- und Wechselsignal-Eigenschaften des VCSEL- Treibersignalverlaufs für einen einzigen Laserchip oder für ein 1×N-Array des Laserchips.
Der Lasertreiber 100 der vorliegenden Erfindung schafft ei­ nen Mechanismus zum individuellen Programmieren der Parame­ ter (z. B. Gleichsignal- und Wechselsignal-Parameter) für jeden Laserchip in einem Array, um eine Einheitlichkeit der optischen Signalverläufe über das Array zu erreichen.
Programmieren der Treibersignalverlaufparameter
Der Lasertreiber 100 kann z. B. die VCSEL-Vorspannung für eine optische, logische Null durch Verwendung der inte­ grierten Steuerung 200 und der Digital-zu-Analog-Wandler (DAW) 234 digital programmieren. Ferner kann der Lasertrei­ ber 100 den VCSEL-Treibersignalverlauf zum Modulieren einer optischen Null zu einem Übergang durch Verwendung der inte­ grierten Steuerung 200 und der DAWs 234 digital programmie­ ren.
Eine Eigenschaft des Lasertreibers der vorliegenden Erfin­ dung ist die Programmierbarkeit der Wechselsignalcharakte­ ristika, wie z. B. negative Spitzenwertbildungs-Tiefe und -Dauer, des VCSEL-Treibersignalverlaufs. Die negative Spit­ zenwertbildung bezieht sich auf den VCSEL- Treibersignalverlauf während des fallenden Übergangs von der logischen Eins zu der logischen Null. Ipkd ist die nega­ tive Spitzenwertbildungstiefe. Tpkw ist die negative Spit­ zenwertbildungsdauer.
Der Lasertreiber 100 kann eine negative Spitzenwertbil­ dungstiefe an dem VCSEL-Treibersignalverlauf zur Verwendung während eines optischen Eins-zu-Null-Übergangs digital pro­ grammieren. Die negative Spitzenwertbildung wird zum Senken der optischen Abfallzeit während eines Eins-zu-Null- Übergangs verwendet. Der Lasertreiber 100 kann ferner eine negative Spitzenwertbildungsdauer bezüglich des VCSEL- Treibersignalverlaufs zur Verwendung während eines opti­ schen Eins-zu-Null-Übergangs digital programmieren.
Wie nachfolgend hierin detaillierter beschrieben wird, kann der Lasertreiber 100 der vorliegenden Erfindung auch die digitale Steuerung 200 zum Implementieren einer Zeitgeber­ funktion zum periodischen Einstellen bzw. Anpassen des VCSEL-Treibersignalverlaufs zum Ausgleichen des Alterns verwenden.
Wie nachfolgend hierin detaillierter beschrieben wird, kann der Lasertreiber 100 der vorliegenden Erfindung ferner eine integrierte, digitale Steuerschleife zum Überwachen der Chiptemperatur und zum Einstellen der Gleichsignal- und Wechselsignal-Parameter der VCSEL-Treibersignalverläufe zum Ausgleichen von Temperaturänderungen verwenden.
Altersausgleichsmechanismus
Wie bereits beschrieben wurde, neigt die VCSEL-Lichtausgabe zu einer Verschlechterung über die Betriebsdauer des La­ sers. In dieser Hinsicht müssen die VCSEL- Treibersignalverlaufsparameter periodisch eingestellt wer­ den, um die Verschlechterung auszugleichen. Bei einem Aus­ führungsbeispiel umfaßt der Lasertreiber der vorliegenden Erfindung einen programmierbaren Zeitgeber, der in Zusam­ menarbeit mit der digitalen Steuerung die Signalverlaufspa­ rameter jedes VCSEL-Treibers periodisch einstellt, um die Alterung auszugleichen.
Ein weiterer Aspekt des Lasertreibers der vorliegenden Er­ findung ist die Integration einer Zeitgeberfunktion in die digitale Steuerung, um den Ausgleich der Lichtausgabe auf­ grund von VCSEL-Alterung auszugleichen. Der Zeitgeber er­ laubt eine periodische Einstellung bzw. Anpassung der VCSEL-Treibersignalverlaufs-Gleichsignal- und Wechselsi­ gnalparameter, um die Alterung auszugleichen.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Altersausgleichsme­ chanismus 240 durch die Verwendung eines chipinternen 10- MHz-Taktes, eines programmierbaren Divisors (D) für den Takt, eines 31-Bit-Zählers (hierin bezeichnet als ein nie­ derwertiger Alterungszähler) in der Steuerung 200 und eines 16-Bit-Zähler (hierin bezeichnet als ein höherwertiger Al­ terungszähler) in dem nichtflüchtigen Speicher 130 imple­ mentiert werden. Der Taktdivisor D, kombiniert mit der 10- MHz-Taktperiode, bestimmt, wie oft (in Sekunden oder Minu­ ten) der höherwertige Alterungszähler inkrementiert wird. Die Steuerung 200 aktualisiert die DAW-Einstellungen, wenn die vier MSB (MSB = most significant bit) des höherwertigen Alterungszählers inkrementiert werden. Wenn z. B. D gleich 32 ist und die 10-MHZ-Taktperiode 100 ns entspricht, dann kann der niederwertige Alterungszähler alle 114,5 Minuten inkrementiert werden, und die vier MSB des höherwertigen Alterungszählers werden alle 325 Tage inkrementiert.
Wenn die Leistung an den Sender unterbrochen wird, spei­ chert der EEPROM die letzte Zählereinstellung in mehreren Registern (z. B. drei Registern). Wird wieder Leistung ge­ liefert, wird die Zählereinstellung in jedem der Register mit den Zählerwerten in den anderen zwei Registern für Ge­ nauigkeit überprüft. Die Zählereinstellung, die in minde­ stens zwei Registern gefunden wird, wird als die korrekte Einstellung ausgewählt.
Temperaturkompensationsmechanismus
Wie vorangehend beschrieben wurde, erfordern die VCSEL- Treibersignalverlaufsparameter eine Einstellung, um optima­ le optische VCSEL-Signalverlaufscharakteristika beizubehal­ ten, da sich die Betriebstemperatur des Sendermoduls än­ dert. Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt der Lasertreiber der vorliegenden Erfindung eine integrierte Temperaturüber­ wachungsvorrichtung und ein Rückkopplungssystem zum Anpas­ sen der VCSEL-Treibersignalverlaufsparameter nach einer Temperaturänderung.
Ein weiterer Aspekt des Lasertreibers der vorliegenden Er­ findung ist die Integration einer Temperaturerfassungs- und Rückkopplungs-Schaltung an der Treiber-IC.
Der Lasertreiber 100 umfaßt ferner eine nichtflüchtige Speicherschnittstelle 230 zum Kommunizieren mit dem nicht­ flüchtigen Speicher 130. Der nichtflüchtige Speicher 130 speichert die DAW-Einstellungen für Imod, Ibias, Tpkw und Ipkd in dem Format einer Nachschlagtabelle. Es kann auf jede DAW-Einstellung Bezug genommen werden (z. B. Zugriff durch eine Leseoperation), durch Verwenden einer Adresse, die das folgende Format aufweist: AAAATTTTTCCCCXX. Die "A"s stellen die vier höchstwertigen Bits (MSB) des Alterungszählers dar. Die "T"s stellen fünf Bit dar, die die Temperatur des Lasertreibers 100 darstellen. Die "C"s stellen die Kanal­ nummer dar und die "X"en stellen die DAW-Nummer dar. Es wird darauf hingewiesen, daß die DAWs für die Imod-, Ibias, Tpkw-, Ipkd-Parameter jeweils eine andere Nummer aufweisen, die denselben zugeordnet ist.
Fig. 3 stellt eine exemplarische Implementierung des Tempe­ raturausgleichsmechanismus 250 und der Fehlerbestimmungs­ schaltung 260 aus Fig. 2 dar. Für jeden Kanal fließen un­ terschiedliche Eingangsdaten von Data_in+ und Data_in- durch die Eingabestufe 310 und die Pegelverschiebungsstufe 314 zu der Treibersignalverlaufs-Formgebungsschaltung 238. Die Treibersignalverlaufs-Formgebungsschaltung 238 erzeugt einen Strompuls (d. h. einen Treibersignalverlauf) für je­ den Datenpuls, um einen Laser 122 in dem Laserarray 120 zu treiben.
Die VCSEL-Strompulsform wird durch die Treibersignalver­ laufs-Formgebungsschaltung 238 hinsichtlich Imod, Ibias, Tpkw und Ipkd optimiert, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Der Ausgangs­ strom Iout jedes Kanals wird an einen der Laser 122 in dem VCSEL-Array 120 gesendet. Ein exemplarisches Ausführungs­ beispiel der Treibersignalverlaufs-Formgebungsschaltung 238 wird nachfolgend hierin bezugnehmend auf Fig. 4 detaillier­ ter beschrieben.
Temperaturmeßblock
Da sich die VCSEL-Betriebsparameter im Hinblick auf Zeit oder Temperatur ändern müssen, aktualisiert die Steuerung 200 die Treiberparameter in Echtzeit. Anpassungen für die Temperatur können z. B. periodisch auftreten (z. B. in In­ tervallen von 30 Millisekunden). Bei einem Ausführungsbei­ spiel kann der Temperaturausgleichsmechanismus 250 teilwei­ se durch einen Temperaturmeßblock (TMB) 234 und einen Ana­ log-zu-Digital-Wandler 330 implementiert werden. Der Tempe­ raturmeßblock (TMB) 234 ist ein Sensor, der die Chipsub­ strattemperatur mißt. Die gemessenen Daten werden dann durch den Analog-zu-Digital-Wandler (ADC) 330 in ein digi­ tales Format umgewandelt und dann an die Steuerung 200 als das digital temp-Signal geliefert. Die Steuerung 200 ge­ winnt dann (von dem EEPROM 130) neue DAW-Einstellungen für Imod, Ibias, Tpkw, Ipkd basierend auf der Temperatur wieder. Die neuen DAW-Einstellungen werden in Registern gespeichert (z. B. Imod-Register 210, Ibias-Register 214, Tpkw-Register 218, Ipkd-Register 224). Vorzugsweise sind die Register (hierin auch als DAW-Register bezeichnet) innerhalb der DAWs 234 angeordnet. Die DAWs 234 verwenden die aktuellen DAW-Werte in diesen Registern (210, 214, 218, 224), um die VCSEL-Treibersignalverlaufsparameter einzustellen.
Auf ähnliche Weise werden die neuen DAW-Einstellungen für Imod, Ibias, Tpkw und Ipkd aus dem EEPROM wiedergewonnen und an die DAW-Register geschrieben, wenn ein Alterungszeitpunkt erreicht wird, wie durch den Alterungszähler bestimmt wird (z. B. den niederwertigen Alterungszähler und der höherwer­ tige Alterungszähler). Dann werden die VCSEL- Treibersignalverlaufsparameter angepaßt.
Fehlererfassungsschaltung
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfaßt die Fehlererfas­ sungsschaltung 260 einen Widerstand (Rfault) 340, einen Differenzverstärker 344, einen Komparator 348, einen DAW 350 und einen Puffer 354. Die Fehlererfassungsschaltung 260 bestimmt, wann sich der durchschnittliche Betrag des Stroms, der durch jeden VCSEL fließt, über einer vorbe­ stimmten Sicherheitsgrenze befindet. Der Betrag des durch­ schnittlichen VCSEL-Stroms wird durch Messen der Spannungs­ differenz (vfx_del) über den Rfault-Widerstand 340 be­ stimmt. Die Spannungsdifferenz über dem Rfault-Widerstand 340 wird dann mit einer vorbestimmten Fehlerschwelle vfx_th verglichen. Die Fehlerschwelle vfx_th ist durch den Benut­ zer programmierbar und kann in dem EEPROM 130 und einem Fehlerregister 290 in der Steuerung 200 als fault_th ge­ speichert werden.
Wenn vfx_del höher ist als vfx_th, ändert der Komparator 348 den Zustand von fault_flag. Eine Änderung des Zustands des fault_flag-Signals eines beliebigen Kanals unterbricht die Steuerung 200. Die Steuerung 200 stellt dann die DAW- Werte für Imod, Ibias, Tpkw und Ipkd für alle N Kanäle alle auf Null ein, was wiederum den VCSEL-Strom jedes Kanals auf Null Milliampere ändert.
Der Zustand der tx_enable-Leitung wird für den Lasertreiber 100 umgeschaltet, um den Betrieb wieder aufzunehmen. Sobald der Betrieb wieder aufgenommen ist, gewinnt die Steuerung 200 die richtigen DAW-Einstellungen basierend auf der Tem­ peratur und dem Wert in dem Alterungszähler wieder. Wie vo­ rangehend beschrieben wurde, kann der Alterswert in mehre­ ren Registern (z. B. Altersregister 280) in der Steuerung 200 gespeichert werden.
Datensignalverlauf-Formgebungsschaltung
Fig. 4 stellt die Treibersignalverlaufs- Formgebungsschaltung (DWSC; DWSC = drive waveform shaping circuit) 238 aus Fig. 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung detaillierter dar. Um es kurz zu halten, wird die Treibersignalverlaufs-Formgebungsschaltung 238 für einen einzelnen Kanal in Fig. 4 dargestellt und hierin nachfolgend beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, daß die Treibersignalverlaufs-Formgebungsschaltung 238 re­ pliziert werden kann, um der spezifischen Anzahl von Kanä­ len in einer bestimmten Anwendung zu entsprechen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel umfaßt die Treibersignalver­ laufs-Formgebungsschaltung 238 Eingänge für das Empfangen von Differenzdatensignalen (DataIn+ und DataIn-) und Ein­ gänge zum Empfangen der Ausgangsspannungssignale von dem DAW 234. Spezifisch umfaßt die Treibersignalverlaufs- Formgebungsschaltung 238 ferner einen Eingang zum Empfangen von Vbias von dem DAW 234, einen Eingang zum Empfangen von Vmod von dem DAW 234 und einen Eingang zum Empfangen von Vpkw von dem DAW 234 und einen Eingang zum Empfangen von Vpkd von dem DAW 234. Wie vorangehend beschrieben wurde, werden die Ausgangsspannungssignale des DAW 234 basierend auf den Treibersignalverlaufs-Gleichsignal- und Wechselsignal- Parametern erzeugt, die dem aktuellen Alter und den Tempe­ raturbedingungen zugeordnet sind. Basierend auf diesen Ein­ gaben erzeugt die Treibersignalverlaufs- Formgebungsschaltung 238 einen Treibersignalverlauf (z. B. den Iout), der an eine Anode eines Lasers geliefert wird (z. B. eine Anode des VCSEL 122). Ein Beispiel dieses Treiber­ signalverlaufs mit einem negativen Spitzenwertbildungsab­ schnitt ist in Fig. 7 gezeigt.
Die DWSC 238 umfaßt eine Mehrzahl von Eingangspuffern (410, 420, 430 und 440) zum Puffern der Ausgangsspannungssignale, die vor dem Liefern der Spannungssignale an die anderen Blöcke der DWSC 238 von dem DAW 234 empfangen werden. Es wird darauf hingewiesen, daß der Puffer 420 ein invertie­ render Puffer ist, der Vmod empfängt und ein invertiertes Vmod-Signal erzeugt.
Die DWSC 238 umfaßt ferner eine spannungsgesteuerte Strom­ quelle 450 (VCCS; VCCS = voltage controlled current sour­ ce), einen Ausgangstreiber-Differenztranskonduktanz (ODDTA; ODDTA = output driver differential transconductance ampli­ fier) 460, der mit der spannungsgesteuerten Stromquelle 450 gekoppelt ist, und einen Differentialsteilheitsverstärker mit negativer Spitzenwertbildung (NPDTA; NPDTA = negative peaking differential transconductance amplifier) 470, der ebenfalls mit der spannungsgesteuerten Stromquelle 450 ge­ koppelt ist. Die VCCS 450, der ODDTA 460 und der NPDTA 470 formen den Treibersignalverlauf (Iout) selektiv basierend auf den Eingangsdatensignalen und den Eingangsspannungssi­ gnalen.
Die spannungsgesteuerte Stromquelle (VCCS) 450 umfaßt einen Eingang zum Empfangen des Vbias2-Signals und einen Eingang zum Empfangen des Invers-Vmod2-Signals und einen Eingang, der mit einer Versorgungsspannung 454 gekoppelt ist. Basie­ rend auf diesen Eingaben erzeugt die VCCS 450 ISource, was eine Gleichstromsumme von Ibias und Imod darstellt. Der Lo­ gisch-1-Pegel des Treibersignalverlaufs (Iout) ist gleich Isource. Ein Datenpuls in den ODDTA 460 verursacht, daß Imod-pulse von ISource subtrahiert wird, um Iout = Ibias für Logisch- 0-Datenbits und Iout = Ibias + Imod für Logisch-1-Datenbits zu lassen.
Eine Leistungsquelle 480 ist über einen Schalter 484 (z. B. einen FET-Schalter) mit der VCCS 450 gekoppelt. Der Schal­ ter 484 öffnet und schließt selektiv, ansprechend auf das Fehlerabschaltsignal. Wenn der Schalter 484 geschlossen ist, wird das Versorgungsspannungssignal 454 an die VCCS 450 geliefert.
Der ODDTA 460 umfaßt Eingänge zum Empfangen der Differenz­ datensignale (DataIn+ und DataIn-) und einen Eingang zum Empfangen des invertierten Vmod2-Signals. Basierend auf die­ sen Eingaben erzeugt der ODDTA 460 einen Strompuls 464 (d. h. Imodpulse) für jeden Eingangsdatenpuls. Die Amplitude von Imodpulse wird durch eine Referenzspannung eingestellt, die an den Vref-Eingang geliefert wird. Da die Referenzspannung in diesem Fall gleich dem invertierten Vmod2-Signal ist, entspricht die Amplitude der Strompulse der Amplitude des Imod-Signals.
Der NPDTA 470 umfaßt Eingänge zum Empfangen der Differenz­ datensignale (DataIn+ und DataIn-) und einen Eingang zum Empfangen des Vpkw2-Signals und einen Eingang zum Empfangen des Vpkd2-Signals. Basierend auf diesen Eingaben erzeugt der NPDTA 470 einen Stromübergang für negative Spitzenwertbil­ dung 474 (Inegpeaking oder Inp) für jeden Übergang von einer logischen 1 zu einer logischen 0, die an den DataIn-Pulsen beobachtet wird. Es wird darauf hingewiesen, daß der nega­ tive Spitzenwertbildungsstrom Inegpeaking mit der abfallenden Flanke des Iout-Pulses ausgerichtet ist. Die Stromübergänge mit negativer Spitzenwertbildung (Inegpeaking) werden hierin ebenfalls mit Inp bezeichnet. Der negative Spitzenwertbil­ dungsübergang (Inegpeaking) weist eine Stromamplitude (Tiefe) und eine Abfallzeit (Breite) gleich Ipkd bzw. Tpkw auf. Der NPDTA 470 verwendet das Vpkw2-Signal zum Einstellen der Ab­ fallzeit für den negativen Spitzenwertbildungsübergang und das Vpkd2-Signal zum Einstellen der Stromamplitude für den negativen Spitzenwertbildungsübergang.
Zusammengefaßt wird der Strom, der durch ODDTA 460 gesenkt wird, als Imodpulse bezeichnet, und der Strom, der durch den NPDTA 470 gesenkt wird, wird als Inegpeaking oder Inp bezeich­ net. Der folgende Ausdruck liefert den Wert des Ausgangs­ stroms:
Iout ISource - Imodpulse - Inp
Ein Datenpuls verursacht, daß ImQdpulse Imod von ISource Subtra­ hiert, um Iout = Ibias für Logisch-0-Datenbits zu lassen, und um Iout = Ibias + Imod für Logisch-1-Datenbits zu lassen. Ein Übergang von Eins zu Null verursacht, daß ein Inp-Übergang phasengleich mit dem Übergang von Eins zu Null von Isource subtrahiert wird.
Methodologie
Fig. 5 ist ein Flußdiagramm, das die Schritte darstellt, die durch den Lasertreiber 100 aus Fig. 1 zum Einstellen und Steuern der VCSEL-Treiberparameter gemäß einem Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durchgeführt wer­ den. Jeder VCSEL 122 in dem VCSEL-Array 120 wird charakte­ risiert und die resultierenden Daten werden gespeichert. Die Laser werden dann in das MCFOTM 90 eingebaut. Jeder Sendekanal in der zusammengebauten Einheit wird über die Temperatur charakterisiert, und die resultierenden Daten werden ebenfalls gespeichert. Dann werden die gespeicherten Daten in den nichtflüchtigen Speicher 130 heruntergeladen. Jeder VCSEL wird dann unter Verwendung der gespeicherten Parameter unabhängig programmiert. Die Programmierung wird anfangs nach dem "Einschalten" durchgeführt (z. B. wenn das Modul erstmals in eine Netzwerkvorrichtung installiert wird, wie z. B. einen Router oder einen Sehalter) und nach­ folgend periodisch während des Betriebs, wie nachfolgend hierin beschrieben wird.
Bei Schritt 500 wird die Spannung über dem Strom (V-I) und die VCSEL-Lichtausgabe über dem Strom (L-I) für jeden Laser (z. B. VCSEL) 122 in dem Array 120 gemessen. Vorzugsweise werden diese Messungen vor der Montage durchgeführt. Die Testausrüstung, wie z. B. ein Agilent 4145 Semiconductor Parameter Analyzer und ein Agilent 8153A Lightwave Multime­ ter sind bei Agilent Technologies, Inc. erhältlich, und können zum Ausführen der Messungen verwendet werden.
Tabelle 1 stellt exemplarische VCSEL-V-I-Daten und L-I- Daten dar. Diese Daten werden von einem Herstellungstestsy­ stem zum Bestimmen der DAW-Einstellungen zur Verwendung während der Ibias-, Imod-, Ipkd- und Tpkw-Optimierung verwen­ det. Die V-I-Daten zeigen den maximalen Strombereich für einen gegebenen VCSEL, um eine maximale VCSEL-Spannung nicht zu überschreiten, die für einen korrekten Schaltungs­ betrieb zulässig ist. Sobald das VCSEL-Strommaximum bekannt ist, werden die L-I-Daten zum Berechnen des minimalen VCSEL-Stroms für eine Lichtausgabe und die VCSEL- Steilheitseffizienz (d. h. die Änderung bei der Lichtausga­ be bezüglich einer Änderung des Stroms) verwendet. Der zu­ lässige VCSEL-Strombereich und die VCSEL- Steilheitseffizienz, die vorangehend bestimmt wurden, wer­ den dann zum Berechnen der Startpunkte für Ibias, Imod, Ipkd und Tpkw während der Optimierung verwendet.
TABELLE 1
Bei Schritt 504 wird der optische Wechselsignalverlauf für jeden Senderkanal gemessen. Vorzugsweise wird der optische Wechselsignalverlauf jedes Kanals während des Herstellungs­ tests gemessen und die Verhaltensfaktoren durch einen Te­ ster optimiert. Diese Verhaltensfaktoren können das Extink­ tionsverhältnis (d. h. das Verhältnis der logischen, opti­ schen Leistung Eins zur logischen, optischen Leistung Null), Anstiegs-/Abfallszeiten, Überschwingen, Schwanken (Jitter) und Maskenrand umfassen, sind jedoch nicht auf diese begrenzt. Die Optimierung des optischen Wechselsi­ gnalverlaufs verwendet die vorangehend aufgezeichneten, op­ tischen VCSEL-Parameter.
Optische Wechselsignalverlaufseigenschaften werden für je­ den VCSEL in dem Sender gemessen. Die Ibias-, Imod-. Ipkd- und Tpkw-DAW-Einstellungen werden um die Startpunkte variiert, bis die optischen Wechselsignalverlaufseigenschaften opti­ miert sind. Vorzugsweise wird die Optimierung bei ein paar Temperaturwerten durchgeführt. Die optischen Wechselsignal­ verlaufseigenschaften können das Extinktionsverhältnis (ER; ER = extinction ratio), das das optische Leistungsverhält­ nis von einem Logisch-1-Bit zu einem Logisch-0-Bit ist, An­ stiegszeit, Abfallzeit, Überschwingen und Schwanken (Jit­ ter) umfassen, sind jedoch nicht auf diese begrenzt.
Die optimalen DAW-Einstellungen für Ibias, Imod, Ipkd und Tpkw werden dann für jeden zulässigen Temperaturwert und jeden Alterungszeitpunkt berechnet und in den nichtflüchtigen Speicher 130 geschrieben. Der nichtflüchtige Speicher (z. B. ein EEPROM) 130 speichert alle der DAW-Einstellungen für Ibias, Imod, Ipkd und Tpkw, auf die durch Temperatur und Alte­ rungszeitpunkt Bezug genommen wird. Diese adressierbaren DAW-Einstellungen werden dann zum Programmieren des Strom­ treibersignalverlaufs jedes VCSEL während des Betriebs ver­ wendet. Das Ibias-DAW-Register speichert z. B. eine Anzahl von 0 bis 2M (für einen M-Bit-DAW), die zum Erzeugen einer Spannung Vbias am DAW-Ausgang verwendet wird. Vbias wird von der Treibersignalverlaufs-Formgebungsschaltung 238 zum Ein­ stellen des Ibias-Parameters des VCSEL-Treiberstrom­ signalverlaufs verwendet. Ähnlich werden Vmod, Vpkw und Vpkd durch die anderen DAWs erzeugt.
Bei Schritt 508 werden die DAW-Einstellungen für jeden Ka­ nal bei jedem Temperaturwert und jedem Alterungspunkt opti­ miert. Die DAWs 234 werden zum Umwandeln der Treiberparame­ ter in analoge Signale verwendet, die von der Treibersi­ gnalverlaufs-Formgebungsschaltung (DWSC) 238 zum Erzeugen der Treibersignalverläufe verwendet werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind die DAWs 234 in den La­ sertreiber 100 integriert und M Bit breit. Die Anzahl die­ ser Bit M wird ausgewählt, um eine angemessene Auflösung für jeden der Parameter zu liefern. Es kann z. B. ausge­ wählt werden, daß M für übliche Implementierungen 6 Bit be­ trägt.
Bei Schritt 512 wird ein Alterungszählerdivisor (D) ausge­ wählt. Bei Schritt 520 werden die DAW-Einstellungen (d. h. Treiberparameter) von einem Testsystem z. B. in den nicht­ flüchtigen Speicher heruntergeladen. Die DAW-Einstellungen werden auf eine solche Weise gespeichert, um das Wiederge­ winnen der DAW-Einstellungen durch einen Alterungszählwert, die Temperatur, die Kanalnummer und die DAW-Nummer zu er­ möglichen (d. h. die DAW-Einstellungen in dem nichtflüchti­ gen Speicher sind durch den Alterszählwert, die Temperatur, die Kanalnummer und die DAW-Nummer adressierbar).
Bei Schritt 530 wird der Alterungszählwert gestartet. Bei Schritt 540 werden die Treiberparameter auf einen vorbe­ stimmten Zustand hin von dem nichtflüchtigen Speicher in die Treiberregister (210, 214, 218 und 224) geladen. Der vorbestimmte Zustand kann das Verstreichen von Zeit (z. B. alle 30 Millisekunden) oder eine Unterbrechung für einen Alterungszeitpunkt sein, ist jedoch nicht darauf begrenzt. Es wird darauf hingewiesen, daß der Schritt 540 während des Betriebs des Sendermoduls 90 auftritt.
Bei Schritt 550 wird die Temperatur der integrierten Schal­ tung des Lasertreibers durch den Temperaturmeßblock (TMB) 334 gemessen. Bei Schritt 545 wird die gemessene Temperatur in eine digitale Form umgewandelt (z. B. ein digital_temp- Signal) und an die Steuerung 200 geliefert. Bei Schritt 560 verwendet die Steuerung 200 die gemessene Temperatur als einen der Eingangsparameter in einem der nachfolgenden DAW- Register-Schreibzyklen zum Aktualisieren der Treiberparame­ terregister (210, 214, 218 und 224).
Bei Schritt 570 aktualisiert die Steuerung 200 eine Lese­ adresse zum Wiedergewinnen von Werten für die Treiberpara­ meter. Das Verarbeiten fährt dann mit Schritt 540 fort, wo die Treiberparameterregister mit Werten beschrieben werden, die aus dem nichtflüchtigen Speicher 130 gelesen werden, bei der Adresse, die in Schritt 570 geändert werden kann.
Handhabung unsicherer Stromzustände
Fig. 6 ist ein Flußdiagramm, das die Schritte darstellt, die von dem Lasertreiber 100 aus Fig. 1 durchgeführt wer­ den, um unsichere Stromzustände gemäß einem Ausführungsbei­ spiel der vorliegenden Erfindung zu erfassen und zu verwal­ ten. Nach Schritt 520 aus Fig. 5 werden die Schritte, die unten zum Erfassen und Verwalten unsicherer Stromzustände beschrieben werden, durchgeführt. Bei Schritt 610 wird der Strom, der durch jeden VCSEL fließt, gemessen. Bei dem Ent­ scheidungsblock 620 wird eine Bestimmung durchgeführt, ob der gemessene Strom größer als ein vorbestimmter, sicherer Strom ist. Wenn der gemessene Strom größer ist als ein vor­ bestimmter, sicherer Strom, wird der Ausgangsstrom des La­ sertreibers 100 bei einem konstanten, minimalen Strom ge­ gehalten, gleich einem minimalen Ibias plus einem minimalen Imod. Ansonsten springt das Verarbeiten wieder zurück zu Schritt 610, wenn der gemessene Strom nicht größer ist als ein vorbestimmter, sicherer Strom.
Bei dem Entscheidungsblock 640 wird eine Bestimmung durch­ geführt, ob ein gültiges Neustartsignal (z. B. ein tx_enable-Signal) durch den Lasertreiber 100 empfangen wur­ de. Wenn ein gültiges Neustartsignal (z. B. ein tx_enable- Signal) von dem Lasertreiber 100 empfangen wurde, fährt das Verarbeiten mit dem Schritt 650 fort. Bei Schritt 650 wird der TMB 334 und das Altersregister 280 zum Erzeugen einer Adresse basierend auf einem Temperaturwert und einem Al­ terswert verwendet. Wie bereits erwähnt wurde, ist der nichtflüchtige Speicher 130 durch Alterszählung, Tempera­ tur, Kanalnummer und DAW-Nummer adressierbar. Das Verarbei­ ten fährt dann mit Schritt 540 aus Fig. 5 fort, wo die Treiberparameterregister mit den Werten geladen werden, die aus dem nichtflüchtigen Speicher 130 gelesen werden.
Ansonsten fährt das Verarbeiten mit Schritt 630 fort, wo der Lasertreiber 100 in dem Minimal-Ausgangsstromzustand bleibt, wenn ein gültiges Neustartsignal (z. B. ein tx_enable-Signal) von dem Lasertreiber 100 nicht empfangen wurde.
Das digitale Steuerverfahren und die digitale Steuerein­ richtung zum Treiben der Halbleiterlaser der vorliegenden Erfindung wurde in Verbindung mit einem VCSEL-Array be­ schrieben. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß das digi­ tale Steuerverfahren und die digitale Steuereinrichtung zum Treiben von Halbleiterlasern für andere Anwendungen hilf­ reich sind, immer wenn ein Treiberstrom zum Treiben einer beliebigen Art von Halbleiterlaser gebraucht wird. Das di­ gitale Steuerverfahren und die digitale Steuereinrichtung für Halbleiterlaser der vorliegenden Erfindung ist beson­ ders hilfreich für Anwendungen, die Temperaturschwankungen über Arrayelemente aufweisen und trotzdem ein gleichmäßiges Verhalten über die Elemente in dem Array erfordern. Das di­ gitale Steuerverfahren und die digital Steuereinrichtung für Halbleiterlaser der vorliegenden Erfindung ist ferner hilfreich für Anwendungen, deren Lichtausgang dazu neigt, im Lauf des Betriebslebens schlechter zu werden. Das digi­ tale Steuerverfahren und die digitale Steuereinrichtung für Halbleiterlaser der vorliegenden Erfindung ist besonders hilfreich für Anwendungen, die vom Programmieren von Wech­ selsignalparametern profitieren können.

Claims (20)

1. Optischer Sender, der folgende Merkmale aufweist:
ein Array (120), das mindestens einen Halbleiterlaser (122) aufweist;
einen Speicher (130) zum Speichern von Treibersignal­ verlaufsparametern; und
eine Treiberschaltung (100), die mit dem Speicher (130) und dem Array (120) gekoppelt ist, zum Empfangen von Datensignalen (110) und mindestens einem Treiber­ signalverlaufsparameter, und ansprechend darauf zum Erzeugen von mindestens einem Treibersignalverlauf zum Treiben des Halbleiterlasers (122);
wobei die Treiberschaltung (100) mindestens einen Treibersignalverlaufsparameter während des Betriebs des Senders basierend auf einem Alterungsfaktor des Arrays (120) und einem Temperaturfaktor des Arrays ak­ tualisiert und basierend auf dem aktualisierten Trei­ bersignalverlaufsparameter einen aktualisierten Trei­ bersignalverlauf erzeugt.
2. Optischer Sender gemäß Anspruch 1, bei dem das Array (120) eine Mehrzahl von Halbleiterlasern (122) umfaßt; und
bei dem die Treiberschaltung (100) die Treibersignalverlaufsparameter für jeden Halbleiterlaser (122) zum Erhöhen der Einheitlichkeit der resultierenden, optischen Signalverläufe der Halbleiterlaser individuell programmiert.
3. Optischer Sender gemäß Anspruch 2, bei dem die Trei­ berschaltung (100) die Gleichsignaleigenschaften für jeden Halbleiterlaser (122) in dem Array (120) indivi­ duell bestimmt, die Wechselsignaleigenschaften für je­ den Halbleiterlaser (122) in dem Array (120) individu­ ell bestimmt und einen Treibersignalverlauf (112) für jeden Halbleiterlaser basierend auf den Gleichsignal­ eigenschaften und Wechselsignaleigenschaften für die­ sen Halbleiterlaser erzeugt.
4. Optischer Sender gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Treiberschaltung (100) eine integrierte, digitale Steuerung (200) und einen Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur der Treiberschaltung um­ faßt; und wobei die integrierte, digitale Steuerung (200) die Treibersignalverlaufsparameter basierend auf der Temperatur der Treiberschaltung (100) selektiv ak­ tualisiert.
5. Optischer Sender gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Treiberschaltung eine integrierte, digita­ le Steuerung (200) umfaßt, die eine Zeitgeberfunktion zum periodischen Anpassen von mindestens einem Trei­ bersignalverlaufsparameter zum Ausgleichen der Alte­ rung des Halbleiterlasers aufweist.
6. Optischer Sender gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Array (120) ein 1×N-Array von Halbleiter­ lasern (122) umfaßt.
7. Optischer Sender gemäß Anspruch 6, bei dem der Halb­ leiterlaser ein Vertikalresonatoroberflächen­ emissionslaser (VCSEL) ist.
8. Optischer Sender gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Speicher einen nichtflüchtigen Speicher (130) zum Speichern von einem von der Vorspannungs­ stromparameter, Modulationsstromparameter, negativer Spitzenwertbildungstiefenparameter und negativer Spit­ zenwertbildungsdauerparameter für jeden Halbleiterla­ ser (122) in dem Array (120) umfaßt.
9. Lasertreiber (100) zum Erzeugen von Treibersignalver­ läufen, der ein Array mit mindestens einem Halbleiter­ laser treibt, der folgende Merkmale aufweist:
eine digitale Steuerung (200), die in den Lasertreiber integriert ist;
wobei die digitale Steuerung (200) mindestens einen Parameter, der dem Treibersignalverlauf zugeordnet ist, anfänglich programmiert und während des Betriebs des Treibers selektiv einstellt.
10. Lasertreiber (100) gemäß Anspruch 9, der ferner fol­ gende Merkmale aufweist:
einen Altersausgleichsmechanismus (240) zum Überwachen des Alters des Lasers und zum selektiven Anpassen von mindestens einem Parameter des Treibersignalverlaufs zum Ausgleichen der Alterung des Lasers.
11. Lasertreiber (100) gemäß Anspruch 9 oder 10, der fer­ ner folgende Merkmale aufweist:
einen Temperaturausgleichsmechanismus (250) zum Über­ wachen der Temperatur des Lasertreibers und zum selek­ tiven Anpassen von mindestens einem Parameter des Treibersignalverlaufs, um die Temperaturänderungen auszugleichen.
12. Lasertreiber (100) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Lasertreiber zum Treiben eines einzelnen Vertikalresonatoroberflächenemissionslasers (VCSEL) oder eines Arrays von Vertikalresonatoroberflächene­ missionslasern (VCSEL) geeignet ist.
13. Lasertreiber (100) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die Treibersignalverlaufsparameter mindestens einen Gleichsignalparameter und mindestens einen Wech­ selsignalparameter umfassen.
14. Lasertreiber (100) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem die Parameter, die dem Treibersignalverlauf zugeordnet sind, einen der folgenden Werte umfassen:
Vorspannungsstrom, Modulationsstrom, negative Spitzen­ wertbildungstiefe und negative Spitzenwertbildungsdau­ er.
15. Lasertreiber (100) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14, der ferner folgende Merkmale aufweist:
einen Speicher (230) zum Speichern von Treibersignal­ verlaufsparametern;
einen Digital-zu-Analog-Wandler (234) zum Empfangen der Treibersignalverlaufsparameter in digitaler Form und ansprechend darauf zum Erzeugen der Treibersignal­ verlaufsparameter in analoger Form; und
eine Signalverlaufs-Formgebungsschaltung (238) zum Empfangen der Treibersignalverlaufsparameter in analo­ ger Form, und ansprechend darauf, zum Erzeugen eines Treibersignalverlaufs, der von den Treibersignalver­ laufsparametern abhängig ist.
16. Verfahren zum Bereitstellen eines Treibersignalver­ laufs für mindestens einen Halbleiterlaser in einem Lasertreiber (100), der eine integrierte Steuerung (200) und einen Speicher (230) zum Speichern von Trei­ bersignalverlaufsparametern aufweist, wobei das Ver­ fahren folgende Schritte aufweist:
anfängliches Einstellen von mindestens einem Treiber­ signalverlaufsparameter; und
Anpassen des Treibersignalverlaufsparameters während des Betriebs des Lasertreibers, basierend auf einem Temperaturfaktor und einem Alterungsfaktor.
17. Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem die Treibersi­ gnalverlaufsparameter in dem Speicher (230) nach La­ ser, Temperaturfaktor und Altersfaktor organisiert sind; und bei dem das Anpassen der Parameter während des Betriebs des Lasertreibers ein Wiedergewinnen von mindestens einem aktualisierten Treibersignalverlaufs­ parameter aus dem Speicher (230), basierend auf der Betriebstemperatur des Halbleiterlasers umfaßt.
18. Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17, bei dem die Trei­ bersignalverlaufsparameter in dem Speicher (230) nach Laser, Temperaturfaktor und Altersfaktor organisiert sind; und bei dem das Anpassen der Parameter während des Betriebs des Lasertreibers ein periodisches Wie­ dergewinnen von mindestens einem aktualisierten Trei­ bersignalverlaufsparameter aus dem Speicher (230) ba­ sierend auf dem Alter des Halbleiterlasers umfaßt.
19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem das anfängliche Einstellen von mindestens einem Trei­ bersignalverlaufsparameter einen der folgenden Schrit­ te umfaßt:
digitales Programmieren eines Vorspannungsstroms;
digitales Programmieren eines Modulationsstroms;
digitales Programmieren einer negativen Spitzenwert­ bildungstiefe an einem Treibersignalverlauf während eines Übergangs von einer optischen Eins zu einer op­ tischen Null; und
digitales Programmieren einer negativen Spitzenwert­ bildungsdauer an einem Treibersignalverlauf während eines Übergangs von einer optischen Eins zu einer op­ tischen Null.
20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 19, bei dem das Anpassen von mindestens einem Treibersignalver­ laufsparameter einen der folgenden Schritte umfaßt:
digitales Programmieren eines aktualisierten Vorspan­ nungsstroms;
digitales Programmieren eines aktualisierten Modulati­ onsstroms;
digitales Programmieren einer aktualisierten, negati­ ven Spitzenwertbildungstiefe an einem Treibersignal­ verlauf während eines Übergangs von einer optischen Eins zu einer optischen Null; und
digitales Programmieren einer aktualisierten, negati­ ven Spitzenwertbildungsdauer an einem Treibersignal­ verlauf während eines Übergangs von einer optischen Eins zu einer optischen Null.
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