CN101176282B - 光发射机的驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一个调制驱动装置(310)，用来供应一个输出调制电流(250)以驱动一个光发射机(300)的一个光源(320)，输出调制电流(250)包括具有第一温度梯度特征的第一调制电流区(130)和具有第二温度梯度特征的第二调制电流区(140)，所述第一调制电流区(130)和所述第二调制电流区(140)是在第一温度范围和第二温度范围上供应调制电流，所述第二温度的温度比所述第一温度范围的温度高，所述第二温度梯度比所述第一温度梯度高。

Description

光发射机的驱动装置 
技术领域
本发明涉及光信号产生，特别涉及光发射机光源的调制驱动装置。更具体地，尽管是非独占的，本发明涉及用在光通信中的激光源的调制驱动装置。 
背景技术
光纤发射机和收发器被广泛用于数据通信和电信应用。在一个典型的光信号发射机上，一个光源如一个激光源，在一个平均光功率点上偏压一个恒定偏压电流(bias current)。为了解码用于发送的数据，通常在这个偏压点周围调制偏压电流。在大多数光通信应用中，通常使用一个二进制调制对应逻辑高“1”或逻辑低“0”。特别地，信号信息通过包含“开(on)”和“关(off)”脉冲或“高(Hi)”或“低(Lo)”脉冲的脉冲流被发送。例如，使用一个高调制电流发送一个“开(On)”脉冲，并使用一个低调制电流发送一个“关(Off)”脉冲，反之亦然。为了获得好的发送效果，“关(Off)”脉冲的输出光功率应该尽可能低，且当一个“关(Off)”脉冲正被发送以获得一个具有宽的“眼开(eye-opening)”的好“眼图(eye-diagram)”时，如果没有光输出是最理想的。为了达到此目的，当发送一个“关(Off)”脉冲时，激光电流应该尽可能低。另一方面，由于激光驱动电流必须保持高于阈值电流以获得一个好的动态回应，对应“关(Off)”脉冲的最低激光电流应该尽可能接近阈值电流，由此可以在一个高速运作的好的动态回应和一个好的消光比(extinction ratio)之间达到平衡。消光比是光输出功率的高电平信号和低电平信号之间的一个比率，且一个好的消光比通常是由一个具有宽眼开的眼图表示。因此，控制激光电流对一个光发送系统的良好性能非常关键。 
垂直腔面发射激光器(VCSELs)被广泛用在光纤通信，特别是数据通 信应用。一个包含VCSEL的典型光源的典型的光输出功率对应电流的特征曲线如图1所示。对一个典型的激光源而言，阈值电流和微分量子(differential quantum)效率随温度而变化，尽管阈值电流的具体变化取决于所设计的设备。通常来讲，激光源的阈值电流在室温附近上有一个最小值，阈值电流随着更高和更低的运行温度而增加。量子效率通常随着温度上升而降低。 
光源的调制通常是通过一个调制驱动装置来进行。来自Maxim的MAX3930、MAX3701、MAX3735A和MAX3704A是示例的调制驱动装置，以提供调制电流给激光源用于信号发送。但是，传统的调制驱动装置对在高于室温(例如，高于70℃)上的运行不是令人满意的，且对在一个宽温度范围内(如从室温到125℃)的运行不是令人满意的。 
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供用于光源的调制驱动装置，克服传统调制驱动装置的缺点。在最低程度上，本发明的一个目的是为公众提供一个用于光源的新颖调制驱动装置的有用替代方案。 
广泛地讲，本发明已经描述了一个调制驱动装置，以供应一个输出调制电流用于驱动一个光发射机的光源。输出调制电流包括多个调制电流区，其中每个调制电流区在一个具体的不交迭的温度范围上都有一个特征温度梯度。    
依照本发明的一个首选实施例，提供一个调制驱动装置以供应一个输出调制电流用于驱动一个光发射机的光源，输出调制电流包括具有第一温度梯度特征的第一调制电流区和具有第二温度梯度特征的第二调制电流区。所述第一调制电流区和所述第二调制电流区是在第一温度范围和第二温度范围上供应调制电流，所述第二温度的温度比所述第一温度范围的温度高，所述第二温度梯度比所述第一温度梯度高，所述的调制驱动装置至 少包括具有第一温度梯度特征的第一调制电流源/电压源和具有第二温度梯度特征的第二调制电流源/电压源，所述调制驱动装置的输出调制电流是由所述第一调制电流源/电压源在所述第一温度范围上提供的，和输出调制电流是由所述第二电流源/电压源在所述第二温度范围上供应，所述第一和所述第二温度范围一起形成一个连续的温度范围，所述设备还包括一个鉴别器，鉴别器选择所述第一调制电流源/电压源和所述第二调制电流源/电压源中一个具有更高电流幅度的调制电流源/电压源作为输出调制电流源/电压源。 
依照本发明的另一个实施例，提供一个光发射机；包括一个激光源和一个根据权利要求1的调制驱动装置，光发射机还包括一个光电检测器以监控激光源的输出，并提供反馈控制给调制驱动装置以控制所述激光源的光输出。 
更适宜地，所述调制驱动装置包括具有第一温度梯度特征的第一调制电流源和具有第二温度梯度特征的第二调制电流源，所述调制驱动装置的输出调制电流是由所述第一调制电流源在所述第一温度范围上供应，和调制电流是由所述第二电流源在所述第二温度范围上供应。 
依照本发明的一个实施例，提供一个调制驱动装置以供应一个输出调制电流用于驱动一个光发射机的光源，输出调制电流包括具有第一温度梯度特征的第一调制电流区和具有第二温度梯度特征的第二调制电流区。所述第一调制电流区和所述第二调制电流区是在第一温度范围和第二温度范围上供应调制电流，所述第二温度的温度比所述第一温度范围的温度高，所述第二温度梯度比所述第一温度梯度高，所述的调制驱动装置至少包括具有第一温度梯度特征的第一调制电流源/电压源和具有第二温度梯度特征的第二调制电流源/电压源，所述调制驱动装置的输出调制电流是由所述第一调制电流源/电压源在所述第一温度范围上提供的，和输出调制电流是由所述第二电流源/电压源在所述第二温度范围上供应，所述第一和所述第二温度范围一起形成一个连续的温度范围，所述设备还包括一个电流转换 器，电流转换器供应所述第一调制电流源/电压源和所述第二调制电流源/电压源中一个更高电流输出作为调制电流源/电压源的调制电流，也作为所述调制驱动装置的输出调制电流。 
更适宜地，所述电流转换器包括一个二极管，当所述第二调制电流源的调制电流幅度超过所述第一调制电流源的调制电流幅度时，二极管正向导电，由此将所述第二调制电流源作为所述调制驱动装置在所述第二温度区上的输出调制电流源。 
更适宜地，当所述第二调制电流源的调制电流幅度超过所述第一调制电流源的调制电流幅度时，当所述第二调制电流源的调制电流源幅度下降到所述第一调制电流源的调制电流幅度之下时，所述鉴别器在所述第一调制电流源和所述第二调制电流源之间转换。 
更适宜地，所述第一和所述第二调制电流源中的每个都包括调整温度梯度的装置。
更适宜地，在所述第二温度范围上所述第二调制电流源的调制电流幅度超过所述第一调制电流源的调制电流幅度，且在所述第一温度范围上所述第二调制电流源的调制电流幅度是低于所述第一调制电流源的调制电流幅度。 
更适宜地，所述驱动装置的输出调制电流包括第一和第二线性区，所述第一和第二线性区中的每个区都具有一个温度梯度特征。第一线性区温度梯度表现为第一温度系数特征，第二线性区温度梯度表现为第二温度系数特征，所述第二温度梯度比所述第一梯度高，且当所述第二线性区的幅度超过所述第一调制电流源输出的幅度时，所述第二线性区是调制驱动装置在高于第一线性区温度上的输出调制电流。 
更适宜地，在更高温度范围上的电流区的温度梯度比在更低温度范围上的电流区的温度梯度高。 
更适宜地，每个调制电流区都归应于一个单个电流源，一个具有更高幅度的电流源接替一个具有更低幅度的电流源作为输出电流源。 
附图说明
以下将通过实例并参考附图，详细解释本发明的首选实施例，其中： 
图1显示一个示例光源(VCSEL)的典型的光输出功率对应电流的特征曲线， 
图2显示图1示例激光源的调制电流对应温度的曲线以达到一个恒定平均输出功率和消光比， 
图3显示本发明一个调制驱动装置的示例调制电流特征，以及图1的激光源的调制电流特征曲线， 
图4显示图3组成调制电流源的电流特征，和本发明的一个调制驱动装置产生的输出调制电流(150)， 
图5是一个说明本发明调制驱动装置建造模块的示意图， 
图6是一个显示光发射机的模块图，其包括本发明第一首选实施例的一个示例调制驱动装置， 
图7显示本发明调制驱动装置的第二首选实施例的示意图， 
图8是一个详细显示图6调制驱动装置的调制电流源的示意图， 
图9是一个显示调制驱动装置在第二温度范围上运行的示意电路图，和 
图10是一个显示调制驱动装置在第一温度范围上运行的示意电路图。 
具体实施方式
光发射机是光通信系统里的一个关键部件。一个典型的光发射机包括一个光源，例如一个发光二极管(LED)源或一个激光源。光源的光输出通常被调制用于发送编码的数字信号。 
当运行环境温度高于室温时，例如高于50℃，传统光纤通信系统的性能迅速下降。这是不可接受的，因为光纤系统经常要在苛刻条件下使用，例如在荒漠里和在汽车应用中，这要求在一个宽温度范围(如0℃-125℃)内保持稳定的系统性能。 
应该知道，在升高的温度上传统调制驱动装置的性能特征至少对光系统的性能下降有影响。图2中的曲线110显示一个示例激光源的调制电流幅度相对温度的变化，其被要求获得一个恒定平均输出功率和消光比。在Y轴显示的调制电流幅度是高于激光源阈值电流的总电流。可以从曲线110观察到，所要求的调制电流随着环境温度上升而增加，梯度在高于50℃时变得更陡。另一方面，曲线120显示一个传统调制驱动装置的示范输出调制电流，其具有一个全部温度范围的恒定温度梯度。所以，在升高的温度上传统驱动装置并不能满足如曲线110所示的激光驱动装置的调制电流要求而获得一个好的系统性能。 
为了克服传统调制驱动装置的缺点，本发明提供一个调制驱动装置，其被设计成产生具有非常近似目标调制电流曲线110输出特征的输出调制 电流。在图3的例子中，本发明调制驱动装置的输出调制电流包括两个线性调制电流区，其在温度范围-50℃到+125℃上延续。第一调制电流区130具有第一温度梯度特征，第二调制电流区140具有第二温度梯度特征。第一调制电流区在一转变温度上结束，在此例中大约是70℃。第二调制电流区在第一调制电流区结束的地方开始。第二调制电流区有一个更大的温度梯度，从而调制电流温度特征在高于70℃时非常近似目标调制电流曲线的更陡区。当然，转变或转换温度基于具体的应用，且取决于个别激光源的特征，在转变或转换温度上输出调制电流被从一个调制电流区转换到另一个调制电流区。通过提供两个分段(piece-wise)线性调制电流区，调制驱动装置可以产生更近似真实光源调制电流要求的输出调制电流，以获得遍布整个运行温度范围的好消光比和好动态回应。尽管图3的例子中使用了两个分段的线性调制电流区，但在整个运行温度区上，可以联合超过两个线性区而形成调制电流驱动装置的输出调制电流区，如图5示意图所示。 
图4说明两个调制电流区130、140的示范形成，由第一调制电流源410和第二调制电流源420形成输出调制电流区150。当第二调制电流源的输出电流幅度超过第一调制电流源的输出电流幅度时，第二调制电流源的输出将接替第一调制电流源的输出，作为输出调制电流源。同样，当第一调制电流源的输出电流幅度超过第二调制电流源的输出电流幅度时，第一调制电流源的输出将接替第二调制电流源的输出，作为输出调制电流源。这种情况发生在一个下降温度转换上。 
图5是一个显示由多个线性调制电流区构成的输出调制电流区的示意图。每个调制电流区是由一个来自特定调制电流源的调制电流构成，且输出调制电流250是由来自各个调制电流源(即410、420、...、4N0)的调制电流区的分段集合构成。调制电流源分别具有温度系数θ1、θ2、...、θN。更特别地，负责最低温度区的电流源410具有最低温度梯度和最低温度轴截距(X)。与第一电流源相比，第二电流源420具有一个更高温度梯度和 一个更高温度轴截距，从而第二调制电流区可以在第一转变温度T1上截取第一电流区，并在环境温度上升时接替第一电流区作为输出调制电流。同样，一个负责更高温度的电流源具有一个更高温度梯度和一个更高温度轴截距，从而当环境温度上升时其能够接替当前更低温度的电流源，作为所设计温度范围的输出调制电流源。另一方面，当在一个下降温度转变上更高温度电流输出的调制电流输出降低到低于更低温度电流源的调制电流输出时，一个负责更低温度的电流源将接替一个负责更高温度的电流源。接替发生在当接替电流源的电流输出幅度超过被取代的电流源的电流输出幅度时。 
图6说明本发明第一首选实施例的一个包含调制驱动IC(集成电路)310的光发射机300。此调制驱动装置的输出调制电流类似图3曲线150的输出特征，包括两个线性调制电流区130，140，尽管电流幅度和转变温度(或拐点温度)不需要是同样的。 
光发射机300包括一个VCSEL激光源和一个监控光电二极管(MPD)330。监控光电二极管(MPD)用来监控激光源的输出，并提供反馈控制信号用于闭环控制。调制驱动装置包括第一调制电流源510S1和第二调制电流源520S2。通过与调制驱动IC连接的电阻R1和R2，流经VCSEL激光源的平均激光电流可以被调整到预设的数值。当然，如在IC技术内普遍所知的，电阻值可以通过片上电阻(on-chip resistors)的丝焊(wire-bonding)来选择。一个集成的温度传感器在IC驱动芯片上，用来提供温度信息给驱动电路。 
调制驱动装置包括一个温度选择转换电路(TSS)，其产生温度参照点以设定所要求的调制电流。TSS的信号输出被用来运行范围选择转换器(RS)，以确定一个规定的运行温度范围上的正确调制电流。通过与一个参照值进行比较，调制电流的实际数值的可以被调整。依靠外部电阻(例如 R1，R2)或片上电阻，可以实现参照值。 
图7说明本发明的第二首选实施例，其中多个调制电流源被利用来实现图5的多段输出调制电流曲线250。每个组成的调制电流源S1-SN被分别提供一个电阻器(R1，R2，...，RN)，用来调整调制电流的参考值。 
图8显示一个示例电路，实现具有图3输出特征的一个调制驱动装置的电流源。调制驱动装置包括第一电流源510和第二电流源520。第一电流源包括一个与输入电压成比例的电流源512，其被连接到一个电流镜516。关联输入电压的电流源512的输入被连接到一个内部温度传感器的输出，此内部温度传感器产生关联温度的输出电压，具有一个与第一调制电流源的输出电压一致的温度系数或温度梯度。参照电流值通过电阻R1被调整。第二调制电流源520包括一个具有电压输入524的输入电压电流源522。与输入电压成比例的电流源的电流输出被输出到第一电流镜526，然后到第二电流镜528。电流镜放大来自它们各个源的电流。第二电流镜528可以使来自R2的电流方向反转，从而在这种安排上将从IR1减去IR2。 
第一调制电流源510和第二调制电流源520的输出被连接到一个鉴别器，其输出一个具有更高幅度的电流。在图8电路例子里，鉴别器530是一个二极管。参考图9和10，以下将描述图8电流源电路的运行。在图9，来自第二电流源的电流输出幅度超过第一电流源的电流输出幅度。在节点540，来自第一调制电流源的电流(IR1)和来自第二调制电流源的电流(IR2)相遇。由于节点540上的电流总和必须是0，流经二极管530的电流将是IR2-IR1。结果，如图9所示，输出调制电流IM等于IR2，另一方面，当来自第一电流源510的电流输出幅度(IR1)超过第二电流源520的电流输出幅度(IR2)时，将没有传导通过二极管530，且调制驱动装置的输出调制电流输出IM将等于IR1因此，通过选择具有合适温度梯度和调制电流轴(TSS1，TSS2)截距的电流源，将获得一个符合图3和5输出特征的调制电流驱动 装置。当然，图8-10内所示的电流源电路仅是用作说明，不失一般性，还可以使用本领域技术人员所熟悉的其它合适的电流源电路。 
本发明通过参考以上叙述的例子和首选实施例而被解释，应该理解，这些是帮助理解本发明的例子，但不是限制性的。对本领域技术人员明显的或琐碎的变化或修改，与在其上作出的改善一样，应该被看作等同于本发明。特别地，尽管在示范驱动装置中已仅单独描述两个电流源，应该理解，驱动装置可以包括多个电流源，多个电流源区分驱动装置的有效运行区，细节上要做必要改动。另外，尽管以上描述了电流源，本领域技术人员应该理解，相同规则适用于电压源。 
此外，通过参考一个激光源，已经解释本发明，应该理解，不失一般性，无论有或无修改，本发明能够适用于其它光源，包括LED源，其显示一个非线性的调制电流对温度特征。 

Claims (12)

1.一个提供输出调制电流用于驱动光发射机的光源的调制驱动装置，输出调制电流包括具有第一温度梯度特征的第一调制电流区和具有第二温度梯度的第二调制电流区，所述第一调制电流区和所述第二调制电流区是在第一温度范围和第二温度范围上提供调制电流，所述第二温度范围的温度比所述第一温度范围的温度高，所述第二温度梯度比所述第一温度梯度高，所述的调制驱动装置包括具有第一温度梯度特征的第一调制电流源/电压源和具有第二温度梯度特征的第二调制电流源/电压源，所述调制驱动装置的输出调制电流是由所述第一调制电流源/电压源在所述第一温度范围上提供的，和输出调制电流是由所述第二调制电流源/电压源在所述第二温度范围上供应，所述第一和所述第二温度范围一起形成一个连续的温度范围，还包括一个鉴别器，鉴别器选择所述第一调制电流源/电压源和所述第二调制电流源/电压源中一个具有更高电流幅度的调制电流源/电压源作为输出调制电流源/电压源。
2.根据权利要求1所述的调制驱动装置，其中当所述第二调制电流源的调制电流幅度超过所述第一调制电流源的调制电流幅度时，当所述第二调制电流的调制电流幅度下降到所述第一调制电流的调制电流幅度之下时，所述鉴别器在所述第一调制电流源和所述第二调制电流源之间运行转换。
3.根据权利要求1所述的调制驱动装置，其中所述第一和所述第二调制电流源中的每个都包括调整温度梯度的装置。
4.根据权利要求1所述的调制驱动装置，其中在所述第二温度范围上所述第二调制电流源的调制电流幅度超过所述第一调制电流源的调制电流幅度，在所述第一温度范围上所述第二调制电流源的调制电流幅度低于所述第一调制电流源的调制电流幅度。
5.根据权利要求1所述的调制驱动装置，其中所述驱动装置的输出调制电流包括第一和第二线性区，所述第一和第二线性区中的每个都具有一个温度梯度特征，第一线性区温度梯度具有第一温度系数特征，第二线性区温度梯度具有第二温度系数特征，所述第二温度梯度比所述第一温度梯度高，当所述第二线性区的幅度超过所述第一调制电流源输出的幅度时，所述第二线性区是调制驱动装置在高于第一线性区温度上的输出调制电流。
6.一个提供输出调制电流用于驱动光发射机的光源的调制驱动装置，输出调制电流包括具有第一温度梯度特征的第一调制电流区和具有第二温度梯度的第二调制电流区，所述第一调制电流区和所述第二调制电流区是在第一温度范围和第二温度范围上提供调制电流，所述第二温度范围的温度比所述第一温度范围的温度高，所述第二温度梯度比所述第一温度梯度高，所述的调制驱动装置包括具有第一温度梯度特征的第一调制电流源/电压源和具有第二温度梯度特征的第二调制电流源/电压源，所述调制驱动装置的输出调制电流是由所述第一调制电流源/电压源在所述第一温度范围上提供的，和输出调制电流是由所述第二调制电流源/电压源在所述第二温度范围上供应，所述第一和所述第二温度范围一起形成一个连续的温度范围，还包括一个电流转换器，电流转换器运行提供所述第一调制电流源/电压源和所述第二调制电流源/电压源中更高的电流输出作为调制电流源/电压源的调制电流，也作为调制驱动装置的输出调制电流。
7.根据权利要求6所述的调制驱动装置，其中所述电流转换器包括一个二极管，当所述第二调制电流源的调制电流幅度超过所述第一调制电流源的调制电流幅度时，二极管是正向导电的，因此，将所述第二调制电流源作为所述调制驱动装置在所述第二温度区上的输出调制电流源。
8.一个提供输出调制电流用于驱动光发射机的光源的调制驱动装置，输出调制电流包括多个调制电流区，其中每个区都具有一个特征温度梯度而构成一个具体的不交迭的连续的温度范围，所述的调制驱动装置包括具有相应特征温度梯度的多个调制电流源/电压源，所述调制驱动装置的输出调制电流是由所述电流源/电压源在具有相应特征温度梯度的温度范围上提供的，还包括一个鉴别器，鉴别器选择具有相应特征温度梯度的多个调制电流源/电压源中一个具有更高电流幅度的调制电流源/电压源作为输出调制电流源/电压源。
9.根据权利要求8所述的调制驱动装置，其中更高温度范围上电流区的温度梯度比更低温度范围上电流区的温度梯度高。
10.根据权利要求9所述的调制驱动装置，其中每个调制电流区是对应于单个电流源，一个具有更高幅度的电流源接替一个具有更低幅度的电流源，作为一个输出电流源。
11.一个光发射机，包括一个激光源和根据权利要求1所述的一个调制驱动装置，光发射机还包括一个光电检测器以监控激光源的输出，并提供反馈控制给调制驱动装置以控制所述激光源的光输出。
12.根据权利要求11所述的光发射机，其中所述的激光源是一个垂直腔面发射激光器。
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