CN100505445C - 具有独立功率设置与环路切换跟踪能力的激光驱动器 - Google Patents

Abstract

半导体激光驱动器电路涉及一种半导体激光驱动器电路结构，应用于高性能光通信传输中。用户可以独立的调整激光器发送“1”和“0”时的光功率，在宽温度范围内，采用本发明可以克服激光驱动器工作特性随温度的变化而获得稳定的光脉冲波形，从而提供高可靠性的通信。该电路中半导体激光器组件(1)包括一个激光二极管(LD)和用于背向光检测的光电二极管(PD)，环路放大驱动电路(2)中放大器(F1)的反向输入端与光电二极管(PD)的正极相接，放大器(F1)的输出端接驱动晶体管(M1)的栅极，驱动晶体管(M1)的输出端接激光二极管(LD)的负极，放大器(F1)的同向输入端接电流选择电路(3)中第一电阻(R1)与选择开关(K)之间，选择开关(K)的中点接输入比较器(4)的输出端。

Description

具有独立功率设置与环路切换跟踪能力的激光驱动器

技术领域

本发明涉及一种半导体激光驱动器电路结构，应用于高性能光通信传输中。用户可以独立的调整激光器发送“1”和“0”时的光功率，在宽温度范围内，采用本发明可以克服激光驱动器工作特性随温度的变化而获得稳定的光脉冲波形，从而提供高可靠性的通信。

背景技术

近年来，随着主要光电子器件成本的不断降低，光传输的应用范围不断扩展到工业监控、电力监控系统等对可靠性和抗干扰能力要求高的应用场合。激光驱动器是光纤通信系统中最为关键的组成部分之一，是实现电压信号转换成激光驱动电流信号的关键电路。

最常见的光通信用激光驱动器的结构它包括一个半导体激光二极管LD和一个用于对LD进行背向光检测的光电二极管PD，PD经过反向偏压后，流过PD正端的电流与LD发出激光的强度成正比例关系，通过监视该电流的变化就可以获得LD发光强度的变化情况。在正常工作时，流过LD的电流和LD发出激光强度之间的关系，可以看出LD是一个温度敏感器件，在通信中，为了保证在不同温度下都能产生幅度稳定的光脉冲，驱动电路产生的电流必须能够同时跟踪LD门限电流和P-I曲线斜率随温度的升高而降低的变化。

传统的激光驱动器电路基本电路结构主要由三部分组成：调制电路(Modulator)，自动功率控制电路(APC)和自动温度控制电路(ATC)。其中调制器的主要功能是将输入的数字电信号(差分信号或单端信号)经过放大后产生对LD的驱动电流，驱动电流的大小通常可以根据需要进行设置；自动功率控制部分接收来自PD的背向光检测电流，并将其滤除高频成分后与一个随温度不变的预先设定的电流进行比较，由此产生控制信号，该信号控制流过LD的直流电流，以改变PD端检测到的电流大小，这种反馈控制环路的通带特性为低通特性，带宽很低，可以保证流过PD的电流的直流成分随温度变化保持稳定，这样就可以保证LD发送平均光功率的稳定；ATC电路可以监视环境温度的变化，并随着温度的变化调整芯片输出调制电流的大小，从而保证输出光脉冲幅度的稳定。

对于输入的电信号而言，如果其“0”、“1”分布不均匀，有频率很低的低频成分，如果其落入到了APC环路带宽以内，就会造成LD平均发送光功率的波动，影响正常工作。那么为了信号的可靠传输，输出的光功率必须稳定，因此传统的激光驱动器要求对输入信号先进行光线路编码(如4B5B、8B10B码等)，使得‘0’和‘1’信号均匀分布、保持直流平衡，从而保证稳定的平均光功率。

随着RS232、RS485以及CAN等通过光纤进行互连的需求越来越多，此时需要采用接口协议转换电路，通过协议转换电路实现低速、突发的电信号到连续、直流稳定的驱动信号的转换，这样提高了系统的复杂度，给工业应用的组网带来不便，并且提高了成本和使用时的功耗。

发明内容

技术问题：本发明就是针对激光驱动器电路采用平均功率控制、需要专门的温度补偿电路以及要求事先对输入信号进行光线路编码的缺点而设计的一种具有独立功率设置与环路切换跟踪能力的激光驱动器，它不需上述电路结构，可以简化系统应用复杂度，并且具有更高的温度稳定性。

技术方案：本发明的半导体激光驱动器电路包含带有背光检测功能的半导体激光器组件、环路放大驱动电路、电流选择电路、输入比较器；其中半导体激光器组件包括一个激光二极管和用于背向光检测的光电二极管，环路放大驱动电路中放大器的反向输入端与光电二极管的正极相接，放大器的输出端接驱动晶体管的栅极，驱动晶体管的输出端接激光二极管的负极，放大器的同向输入端接电流选择电路中第一电阻与选择开关之间，选择开关的中点接输入比较器的输出端。在光电二极管的正极与地之间并联有相接第二电阻和电容。

本发明与传统激光驱动电路不同，它不是基于平均光功率稳定原理，用户可以通过片外电阻独立设置‘1’和‘0’的光功率，无需光线路编码以实现驱动信号的直流稳定，无需APC和ATC，减小了系统复杂度，且输出光信号的功率和消光比具有更高的温度稳定性。输入的数字信号与一个门限进行比较，判断输入的是“1”或“0”，然后将判断结果输出给环路跟踪源电流选择电路。片内的带隙电压参考源是一个不随温度变化的基准电压，该电压除以外部配置电路可以得到随温度保持恒定的两个电流值，该电流按照固定的比例镜像后就成为期望在激光器发“1”和“0”时，光电二极管PD端检测的电流值。由于正常工作时光电二极管PD的检测电流与激光二极管LD发送的激光强度存在固定的比例关系，这样也就设定了发“1”和“0”时期望的光功率值。

当输入为逻辑电平为“1”时，控制环路将设定的电流通过固定比例的缩小或放大后和Ipd进行比较，如果二者不相等就调整控制信号Vctl，通过该信号控制电路的驱动级调整流过激光二极管LD电流的大小来调整激光二极管LD的发送光强度，同时也就改变了Ipd的大小，使Ipd和设定的电流尽量相等，仅存在环路的残余误差。

当输入为逻辑电平为“0”时，控制环路将设定的电流通过固定比例倍的缩小或放大后和Ipd进行比较，如果二者不相等就调整控制信号Vctl，通过该信号控制电路的驱动级调整流过激光二极管LD电流Imod的大小来调整激光二极管LD的发送光强度，同时也就改变了Ipd的大小，使Ipd和设定的电流尽量相等，仅存在环路的残余误差。

有益效果：本发明的半导体激光器驱动电路根据输入数字逻辑信号电平选择激光二极管发送“1”和“0”时期望得到的流过PD的背向光检测电流，从而得到期望的“1”和“0”光功率。与该电路结构相关的至少包括：1)带有背光检测功能的半导体激光器组件(LD+PD)；2)设定不同输入数字信号电平时背光检测电流目标值的电阻。3)向激光器提供驱动电流的电路、背光检测器件和误差放大电路共同构成反馈控制环路。当输入“1”时，环路误差检测电路将Ipd与发“1”时的目标电流相比较，产生控制信号调整激光器驱动电流，使实际背光检测电流与目标值充分接近。当输入数字信号为“0”时，环路误差检测电路将背光检测电流与设定的目标电流进行比较，产生控制信号，调整激光器驱动电流使实际背光检测电流与目标值充分接近。这种电路结构对光脉冲的“0”功率和“1”功率进行快速闭环独立控制，根据输入信号电平的切换而改变环路的跟踪目标，可以在很宽的温度范围内提供高稳定度的输出光信号。

附图说明

图1为本发明的电路原理图。

具体实施方式

本发明的半导体激光驱动器电路包含带有背光检测功能的半导体激光器组件1、环路放大驱动电路2、电流选择电路3、输入比较器4；其中半导体激光器组件1包括一个激光二极管LD和用于背向光检测的光电二极管PD，环路放大驱动电路2中放大器F1的反向输入端与光电二极管PD的正极相接，放大器F1的输出端接驱动晶体管M1的栅极，驱动晶体管M1的输出端接激光二极管LD的负极，放大器F1的同向输入端接电流选择电路3中第一电阻R1与选择开关K之间，选择开关K的中点接输入比较器4的输出端。在光电二极管PD的正极与地之间并联有相接第二电阻R2和电容CPD。

输入逻辑信号通过高速比较器判断、整形后得到逻辑电平‘1’或者‘0’。整形后的逻辑信号根据逻辑电平对通过片外电阻设定的‘1'电流和通过片外电阻设定的‘0’电流进行选择。完成该功能的电路为电流选择电路。被选择的‘1’或者‘0’电流流过第一电阻R1产生电压，该电压与由光电二极管PD检测电流经过R2产生的电压进行比较和放大，控制晶体管M1输出电流，驱动激光二极管LD发光。稳态时，流过第一电阻R1和第二电阻R2的电流几乎相等，即光电二极管PD得到的与激光二极管LD发光功率成固定关系的电流几乎等于被输入逻辑信号选择的‘1’或者‘0’电流。由于激光二极管LD与光电二极管PD之间的光电检测效率近似恒定，所以激光二极管LD的发光功率在输入逻辑‘1’或‘0’周期内保持恒定。图5所示电路是通过闭合环路自动稳定激光二极管LD输出光功率，环路带宽主要由光电二极管PD的寄生电容和外加的环路稳定电容C_PD决定。

根据上述电路工作原理，由于温度变化或者激光二极管LD老化引起激光二极管LD值电流变化和斜率效率变化时，在满足激光二极管LD-光电二极管PD光电检测效率不变的前提下，电路通过环路的自动跟踪能力，始终能保持LD输出光功率的稳定，无论是‘1’还是‘0’功率。如果忽略LD输出光信号边沿时间的变化，则激光二极管LD输出光信号的消光比也能保持很高的稳定性。

Claims (2)

1.一种半导体激光驱动器电路，其特征在于该电路包含带有背光检测功能的半导体激光器组件(1)、环路放大驱动电路(2)、电流选择电路(3)、输入比较器(4)；其中半导体激光器组件(1)包括一个激光二极管(LD)和用于背向光检测的光电二极管(PD)，环路放大驱动电路(2)中放大器(F1)的反向输入端与光电二极管(PD)的正极相接，放大器(F1)的输出端接驱动晶体管(M1)的栅极，驱动晶体管(M1)的输出端接激光二极管(LD)的负极，放大器(F1)的同向输入端接电流选择电路(3)中第一电阻(R1)与选择开关(K)之间，选择开关(K)的中点接输入比较器(4)的输出端。

2.根据权利要求1所述的半导体激光驱动器电路，其特征在于在光电二极管(PD)的正极与地之间并联有第二电阻(R2)和电容(C_PD)。

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