УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНЫМ ДИОДОМ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК H01S5/00 H01S5/26 

Устройство управления лазерным полупроводниковым диодом с заземленным катодом предназначено для высокоскоростной модуляции оптического излучения лазерного диода цифровыми или аналоговыми сигналами, для преимущественного использования в системах оптической связи.

Лазерные полупроводниковые диоды видимого и инфракрасного диапазона длин волн с резонатором Фабри-Перо и выходной мощностью до 100-150 мВт широко используются в качестве источников модулированного оптического сигнала в системах записи информации на оптические носители и системах атмосферной лазерной связи открытого типа.

В целом, лазерные диоды этого класса представляют собой недорогие, доступные и эффективные источники оптического сигнала с большим сроком службы. Однако в отличие от маломощных лазерных диодов, применяемых в волоконных системах связи, для их модуляции требуются большие токи накачки и, соответственно, более мощные драйверы - транзисторные или интегральные схемы, предназначенные для преобразования стандартных модулирующих сигналов в сигналы, пригодные для модуляции лазерных диодов.

Для всех применений данного класса лазерных диодов, особенно в области атмосферной лазерной связи, очевидна тенденция к переходу на все более высокие скорости модуляции, в настоящее время до скорости 622 Мбит/с и более, что близко к теоретическому пределу для данного класса лазерных диодов.

Однако существующие в настоящее время схемные решения устройств управления лазерными диодами указанного класса не позволяют обеспечить требуемой ширины полосы пропускания.

Другими существенными требованиями к лазерным полупроводниковым диодам и их драйверам, которые должны обеспечивать не только модуляцию, но и стабилизацию средней излучаемой мощности, являются:
- возможность прямого заземления корпуса лазерного диода, так как при этом улучшается тепловой режим работы ЛД, повышается стабильность параметров излучения, возрастает устойчивость ЛД к непредвиденным броскам напряжений в схемах питания;
- возможность питания всей схемы драйвера от однополярного источника питания, что удешевляет и упрощает конструирование аппаратуры с использованием ЛД, а также приводит к уменьшению общего энергопотребления аппаратуры;
- возможность компенсации паразитных реактивных сопротивлений лазерного диода, являющихся основной причиной, ограничивающей доступную скорость модуляции выходного оптического излучения.

Эквивалентная электрическая схема лазерного диода для модулирующих частот в упрощенном варианте может быть представлена в виде последовательного соединения индуктивности, представляющей индуктивность монтажных электрических соединений лазерного кристалла с внешними выводами, и параллельной RC-цепочки, представляющей активную и емкостную составляющие импеданса лазерного кристалла (см. фиг.1).

Полный модулирующий ток возбуждается напряжением U_L. Модуляция выходного оптического излучения вызывается только активной компонентой модулирующего тока I_L, протекающей через активное сопротивление R_s. На высоких частотах общий ток модуляции уменьшается из-за блокирующего действия индуктивности L_s, причем часть общего тока ответвляется паразитной емкостью С_s. В результате эффективность модуляции быстро уменьшается с ростом частоты модуляции. Типичными значениями параметров эквивалентной электрической схемы лазерных диодов этого класса являются:
R_s=2-5•ohm,
C_s=50-150•pF,
L_s=4-10•nH.

При этом постоянная времени L_s/R_s ограничивает полосу пропускания на уровне примерно 50 МГц, а постоянная времени R_sC_s ограничивает полосу пропускания на уровне примерно 400 МГц.

Известен ряд технических и схемных решений, направленных как на увеличение полосы пропускания лазерных диодов, так и на достижение других, перечисленных выше целей, связанных с созданием оптических передатчиков на базе лазерных диодов этого класса.

Известно устройство управления лазерным диодом, в котором для компенсации влияния паразитных реактивных сопротивлений корпуса лазерного диода (ЛД) предложена схема с последовательным соединением модулирующего транзистора и ЛД (см. патент США 4813045, НКИ 372/38, 1989 [1]). При таком включении транзистор является генератором тока, то есть источником сигнала с большим выходным сопротивлением, способным работать на большую паразитную индуктивность, поэтому быстродействие схемы в целом ограничивается только постоянной времени R_sC_s (порядка 400 МГц для лазерных диодов рассматриваемого класса). Недостатком схемы является наличие на коллекторе транзистора больших индуктивных выбросов напряжения, которые могут влиять на предыдущие каскады драйвера и требуют повышенного напряжения питания, чтобы предотвратить насыщение транзистора.

Кроме того, недостатком известного устройства является малая полоса пропускания, обусловленная неполной компенсацией влияния паразитных реактивных сопротивлений ЛД. Несмотря на недостатки, эта схема модуляции лазерного диода наиболее широко распространена в настоящее время.

Для увеличения быстродействия, как следует из описания к патенту США 5513197, НКИ 372/38, 1996 [3], модулирующий элемент драйвера выполняют на транзисторе NPN типа, причем анод лазерного диода присоединяют непосредственно к коллектору транзистора, так что модулирующий транзистор оказывается подключенным не последовательно, а параллельно по отношению к ЛД.

К коллектору транзистора также присоединен составной источник тока, выполненный на PNP транзисторах и предназначенный для формирования пускового тока смещения через ЛД. В состав схемы введена цепь автоматической стабилизации мощности, стабилизирующая среднюю излучаемую мощность путем измерения тока контрольного фотодиода, встроенного в конструкцию ЛД, и формирования управляющего сигнала, изменяющего средний ток через ЛД.

Достоинства схемы состоят в том, что возможно заземление катода лазерного диода и использование для модуляции транзисторов NPN типа, быстродействие которых выше, чем у транзисторов PNP типа (в настоящее время это преимущество не актуально).

Недостатком схемы является то, что в ней не предусмотрены средства компенсации паразитных реактивных сопротивлений корпуса ЛД, а именно эти сопротивления в данном техническом решении будут ограничивать быстродействие драйвера в целом.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату является устройство управления лазерным диодом, которое описано в патенте США 5793786, НКИ 372/38, 1998 [4]. Отличие этого решения от предыдущего состоит в том, что в последнем случае к коллектору модулирующего транзистора присоединен не транзисторный источник тока, а активное сопротивление (резистор).

Резистор по сути дела исполняет роль источника тока с ограниченным выходным сопротивлением и в свою очередь присоединен к эмиттеру другого NPN транзистора, что позволяет устанавливать уровни модулированной выходной мощности, меняя напряжение на базе дополнительного транзистора.

Как и в предыдущем случае, недостатком является ограничение быстродействия из-за отсутствия средств компенсации паразитных реактивных сопротивлений корпуса ЛД, причем быстродействие обеих схем даже ниже, чем в случае последовательного включения лазерного диода из-за шунтирующего действия коллекторного резистора, ответвляющего часть модулирующего тока.

Заявляемое в качестве изобретения устройство управления лазерным диодом направлено на увеличение быстродействия схемы модуляции лазерных диодов средней мощности за счет компенсации паразитных реактивных сопротивлений корпуса ЛД.

Указанный результат достигается тем, что устройство управления лазерным диодом содержит подключенную к нему схему пуска и стабилизации и выполненный по схеме с открытым коллектором блок модуляции, при этом устройство снабжено корректирующей цепочкой, которая выполнена в виде последовательно соединенных активного сопротивления и параллельной RC-цепочки, причем выход корректирующей цепочки соединен с лазерным диодом, открытый коллектор блока модуляции присоединен ко входу параллельной RC-цепочки, а вход корректирующей цепочки подключен к источнику питания, при этом параметры элементов корректирующей цепочки выбраны из условий:
R₂C₂=R_sC_s


где Δf - требуемая полоса пропускания драйвера по уровню 3 дб;
k - показатель колебательности, выбираемый в диапазоне k=0,7-0,9;
а - коэффициент, определяемый выбором коэффициента k;

R₁ - последовательно установленное в корректирующей цепочке активное сопротивление, Ом;
R₂ - установленное в параллельной RC-цепочке корректирующей цепочки активное сопротивление, Ом;
С₂ - емкость конденсатора, установленного в параллельной RC-цепочке корректирующей цепочки, Ф;
R_s - активное сопротивление кристалла лазерного диода, Ом;
C_s - паразитная емкость кристалла лазерного диода, Ф;
L_s - паразитная индуктивность входного вывода лазерного диода, Гн.

Указанный результат достигается также тем, что параллельно лазерному диоду присоединена вторая корректирующая цепочка, предназначенная для согласования выходного сопротивления блока модуляции с входным сопротивлением лазерного диода с цепями коррекции и содержащая последовательно соединенные активное сопротивление, величина которого R_k варьируется в широких пределах в зависимости от выходного сопротивления блока модуляции, и конденсатор C_k, параметры которого выбраны из условия:

Указанный результат достигается тем, что устройство управления лазерным диодом содержит подключенную к нему схему пуска и стабилизации и выполненный по схеме с открытым эмиттером блок модуляции, при этом, устройство снабжено корректирующей цепочкой, которая выполнена в виде последовательно соединенных активного сопротивления и параллельной RC-цепочки, причем выход корректирующей цепочки соединен с лазерным диодом, а открытый эмиттер присоединен ко входу корректирующей цепочки, при этом параметры элементов корректирующей цепочки выбраны из условия:
R₂C₂=R_sC_s


где Δf - требуемая полоса пропускания драйвера по уровню 3 дб;
k - показатель колебательности, выбираемый в диапазоне k=0,7-0,9;
а - коэффициент, определяемый выбором коэффициента k:

R₁ - последовательно установленное в корректирующей цепочке активное сопротивление, Ом;
R₂ - установленное в параллельной RC-цепочке корректирующей цепочки активное сопротивление, Ом;
С₂ - емкость конденсатора, установленного в параллельной RC-цепочке корректирующей цепочки, Ф;
R_s - активное сопротивление кристалла лазерного диода, Ом;
C_s - паразитная емкость кристалла лазерного диода, Ф;
L_s - паразитная индуктивность входного вывода лазерного диода, Гн.

Указанный результат достигается также тем, что параллельно лазерному диоду присоединена вторая корректирующая цепочка, предназначенная для согласования выходного сопротивления блока модуляции с входным сопротивлением лазерного диода с цепями коррекции и содержащая последовательно соединенные активное сопротивление, величина которого R_k варьируется в широких пределах в зависимости от выходного сопротивления блока модуляции, и конденсатор С_k, параметры которого выбраны из условия:

Отличительными особенностями обоих заявляемых вариантов схемных решений устройств для управления лазерным диодом являются:
- снабжение устройств корректирующими цепочками, устраняющими влияние паразитных реактивных сопротивлений лазерного диода;
- указание на местонахождение элементов цепочек в схеме;
- указание на параметры элементов корректирующих цепочек.

Оба заявленных изобретения основаны на одном и том же принципе решения поставленной задачи - введение корректирующих цепочек, устраняющих влияние паразитных реактивных сопротивлений лазерного диода.

Отличие одного варианта от другого состоит только в том, что в зависимости от конструкции блока модуляции - с открытым коллектором или с открытым эмиттером - корректирующие цепочки соединяются по разному, но правило выбора параметров составляющих их элементов остается одним и тем же.

Сущность заявляемых изобретений поясняется примерами их реализации и чертежами. На фиг.1 представлена упрощенная эквивалентная электрическая схема лазерного диода; на фиг.2 - принципиальная схема реализации устройства в общем виде с блоком модуляции с открытым коллектором; на фиг.3 - принципиальная схема реализации устройства в общем виде с блоком модуляции с открытым коллектором и с дополнительной корректирующей цепочкой; на фиг.4 - принципиальная схема реализации устройства в общем виде с блоком модуляции с открытым эмиттером и с дополнительной корректирующей цепочкой; на фиг.5 - схема реализации устройства с двумя блоками модуляции (или содержащим блок модуляции с двумя параллельными выходами); на фиг.6 - график зависимости пропускания достижимой полосы пропускания (МГц) от суммарного сопротивления (Ом) для лазерного диода HL7859MG.

На представленных чертежах введены следующие обозначения:
- R₁, R₂, C₂ - элементы первой корректирующей цепочки, введение которой предусмотрено независимыми пунктами формулы изобретения;
- R_k, С_k - элементы второй корректирующей цепочки, введение которой предусмотрено зависимыми пунктами формулы изобретения;
- ЛД - лазерный диод;
- СПС - схема пуска и стабилизации;
- БМ - блок модуляции.

Работа обоих вариантов устройств, охарактеризованных в независимых пунктах формулы, осуществляется одинаково, поскольку они основаны на общем принципе. При включении питания, постоянный ток, задаваемый схемой СПС, возбуждает лазерный диод, причем часть тока возбуждения может быть образована током смещения транзистора. Далее схема СПС поддерживает среднюю излучаемую мощность на постоянном уровне одним из известных способов, например, измеряя ток контрольного фотодиода, встроенного в конструкцию лазерного диода, и изменяя соответственно ток возбуждения. Модулирующий сигнал, снимаемый с эмиттера или коллектора транзистора, подается через корректирующую цепь, образованную элементами R₁ и R₂С₂, на лазерный диод, зашунтированный второй корректирующей цепью, образованной элементами R_kC_k, осуществляя высокоскоростную модуляцию оптического излучения.

Влияние установленных дополнительных корректирующих элементов сводится к следующему.

Первая корректирующая цепь компенсирует паразитные реактивные сопротивления между внешними выводами лазерного диода и лазерным кристаллом. Параллельная цепочка R₂C₂ компенсирует влияние паразитных компонентов R_sС_s, а суммарное сопротивление R₁+R₂ компенсирует паразитную индуктивность L_s. Можно показать, что, при наличии только первой корректирующей цепи и правильно выбранных ее параметрах, полная нормированная частотная передаточная характеристика устройства, с учетом паразитных элементов лазерного диода, описывается функцией второго порядка, известной из теории линейных цепей (см., например, С. И. Баскаков. Радиотехнические цепи и сигналы. Высшая школа, 1983, с.243, пример 8.13):

где K(f) - отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного сигнала. В данном случае входным сигналом является напряжение на выходе блока модуляции, а выходным - напряжение на кристалле лазера
f - частота входного сигнала, Гц,
мнимая единица,
Δf - полоса пропускания драйвера (устройства) по уровню 3 дб;
k - коэффициент колебательности частотной характеристики, определяющий максимальную амплитуду отклика на высоких частотах. При значениях коэффициента колебательности, больших единицы, отклик всегда имеет нежелательный выброс относительно установившегося значения. При значениях коэффициента колебательности, меньших единицы, отклик имеет апериодический вид с большим временем нарастания, что также нежелательно. Для получения амплитуды колебательного выброса в допустимом диапазоне 5-10% следует выбирать значение k в диапазоне 0,7-0,9 (см., например, В.А. Бесекерский. Динамический синтез систем автоматического регулирования. Наука, Москва, 1970, с. 28, или Г. Отт. Методы подавления шумов и помех в электронных системах. Мир, Москва, 1979, с. 121);
а - коэффициент, однозначно определяемый выбором коэффициента k:

После выбора коэффициентов k и а, выбор корректирующих элементов при известном значении полосы пропускания, или определение полосы пропускания по заданным значениям корректирующих элементов, производится совместным решением следующих уравнений:
R₂C₂=R_sC_s


На фиг. 6 в качестве примера приведена экспериментально полученная зависимость достижимой полосы пропускания в мегагерцах от суммарного сопротивления R₁+R₂ в омах для лазерного диода HL7859MG фирмы Hitachi.

Как следует из графика, достижимая полоса пропускания может существенно превышать предел, устанавливаемый собственной постоянной времени лазерного диода (для лазерного диода HL7859MG предел равен 450 МГц).

Рассмотрим, в качестве примера, порядок расчета параметров корректирующей цепочки для драйвера (устройства управления) лазерного диода HL7859MG с полосой пропускания 1000 МГц:
1. Определяем по спецификациям производителя или экспериментально параметры эквивалентной электрической схемы лазерного диода. Для выбранного диода эти параметры равны: R_s=3,2 Ом, C_s=110 пФ, L_s=8 нГ.

2. Задаемся величиной коэффициента k=0,707, что соответствует относительной амплитуде колебательного выброса примерно 5%.

3. Используя формулу

находим значение а=1,41.

4. Используя формулу
,
по заданному значению полосы пропускания и вычисленным значениям коэффициентов k и а определяем требуемое значение суммы R₁+R₂=108 Ом.

5. По формуле

определяем требуемое значение сопротивления R₁=48 Ом.

6. Определяем требуемое значение сопротивления R₂ по соотношению R₂= (R₁+R₂)-R₁=60 Ом.

7. Используя формулу R₂C₂=R_sC_s, определяем требуемое значение емкости С₂=5,9 пФ.

Таким образом, все параметры первой корректирующей цепочки, необходимые для достижения полосы пропускания 1000 МГц, оказываются определенными.

Вторая корректирующая цепь, которая дополнительно вводится в оба варианта устройства в соответствии с зависимыми пунктами формулы, применяется для выравнивания полного входного сопротивления лазерного диода с цепями коррекции в случаях, когда схема блока модуляции чувствительна к изменениям нагрузочного сопротивления при изменении частоты. При отсутствии этой цепи входное сопротивление лазерного диода с элементами коррекции непостоянно в рабочей полосе частот, что может вызвать искажения формы модуляции выходного оптического сигнала, если источник сигнала не является достаточно хорошим генератором напряжения или тока или спроектирован для работы с активной нагрузкой.

Величина корректирующей емкости С_k выбирается так, чтобы резонансная частота контура, образованного этой емкостью и паразитной индуктивностью L_s, примерно соответствовала желаемому значению полосы пропускания драйвера:

где С_k - емкость конденсатора второй корректирующей цепочки, Ф.

Величина корректирующего резистора R_k должна подбираться экспериментально, в зависимости от реального выходного импеданса источника сигнала, обычно в диапазоне от 0 Ом до сотен Ом. При малых значениях корректирующего резистора входное сопротивление схемы выравнивается в области средних частот, увеличиваясь резонансно на высоких частотах. Для схем с открытым эмиттером такое поведение нагрузочного сопротивления, как правило, допустимо. В других случаях необходимо увеличивать корректирующий резистор до максимального выравнивания входного сопротивления схемы во всей области частот. При таком выравнивании полоса пропускания устройства уменьшается не более чем на 15-20% по отношению к полосе, реализуемой первой цепью коррекции.

Рассмотренные схемы могут быть выполнены в варианте с несколькими ветвями (каналами) модуляции, что позволяет соответственно увеличить общий ток модуляции. Это особенно удобно при использовании в качестве источника сигнала логических микросхем, имеющих несколько выходов для одного и того же сигнала. Пример такой схемы показан на фиг.6.

Таким образом, в результате введения первой корректирующей цепочки существенно расширяется полоса пропускания лазерного диода, которым управляет предлагаемое устройство, а за счет введения второй корректирующей цепочки достигается дополнительный результат, а именно - стабилизируется и улучшается работа блока модуляции, к которому присоединен лазерный диод вместе с первой корректирующей цепочкой.

Устройство управления лазерным полупроводниковым диодом с заземленным катодом предназначено для высокоскоростной модуляции оптического излучения лазерного диода цифровыми или аналоговыми сигналами, для преимущественного использования в системах оптической связи. Предложенное устройство управления лазерным диодом содержит подключенную к нему схему пуска и стабилизации и выполненный по схеме с открытым коллектором или с открытым эмиттером блок модуляции, выход которого соединен с лазерным диодом. При этом устройство в зависимости от варианта реализации снабжено различными корректирующими цепочками, которые выполнены в виде активных сопротивлений и конденсаторов, параметры которых подбираются по определенным экспериментально математическим зависимостям, а элементы цепочек размещаются и подключаются в зависимости от типа блока модуляции. Технический результат: увеличение быстродействия схемы модуляции лазерных диодов средней мощности за счет компенсации паразитных реактивных сопротивлений корпуса лазерного диода. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Устройство управления лазерным диодом, содержащее подключенную к нему схему пуска и стабилизации и выполненный по схеме с открытым коллектором блок модуляции, выход которого соединен с лазерным диодом, отличающееся тем, что устройство снабжено корректирующей цепочкой, которая выполнена в виде последовательно соединенных активного сопротивления и параллельной RC-цепочки, при этом выход корректирующей цепочки соединен с лазерным диодом, коллектор присоединен ко входу параллельной RC-цепочки, а вход корректирующей цепочки подключен к источнику питания, при этом параметры элементов корректирующей цепочки выбраны из условия

R₂C₂=R_sC_s

где Δf – полоса пропускания драйвера по уровню 3 дб;

k – показатель колебательности, выбираемый в диапазоне k = 0,7-0,9;

а – коэффициент, определяемый выбором коэффициента k:

R₁ – последовательно установленное в корректирующей цепочке активное сопротивление, Ом;

R₂ – установленное в параллельной RC-цепочке корректирующей цепочки активное сопротивление, Ом;

С₂ – емкость конденсатора, установленного в параллельной RC-цепочке корректирующей цепочки, Ф;

R_s – активное сопротивление кристалла лазерного диода, Ом;

С_s – паразитная емкость кристалла лазерного диода, Ф;

L_s – паразитная индуктивность входного вывода лазерного диода, Гн.

где С_k – емкость конденсатора второй корректирующей цепочки, Ф.

R₂C₂=R_sC_s

где Δf – полоса пропускания драйвера по уровню 3 дб;

k – показатель колебательности, выбираемый в диапазоне k = 0,7-0,9;

а – коэффициент, определяемый выбором коэффициента k:

R₁ – последовательно установленное в корректирующей цепочке активное сопротивление, Ом;

R₂ – установленное в параллельной RC-цепочке корректирующей цепочки активное сопротивление, Ом;

С₂ – емкость конденсатора, установленного в параллельной RC-цепочке корректирующей цепочки, Ф;

R_s – активное сопротивление кристалла лазерного диода, Ом;

С_s – паразитная емкость кристалла лазерного диода, Ф;

L_s – паразитная индуктивность входного вывода лазерного диода, Гн.

где С_k – емкость конденсатора второй корректирующей цепочки, Ф.