CN101702489A - 一种电吸收调制激光器的偏置电路及其调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电吸收调制激光器的偏置电路，包括：驱动电路，用于向电吸收调制激光器中的激光二极管提供使其产生激光的正向偏置电压；直流偏置电压电路，与电吸收调制激光器中的电吸收调制器的阴极连接，用于向所述电吸收调制器的阴极提供一个正的直流偏置电压，使电吸收调制器的反向偏压落在调制范围内，所述电吸收调制器在其反向偏压落在调制范围内情况下，以激光二极管产生的激光为光载波，将调制电压调制到所述光载波上，输出调制后的光信号。本发明进一步降低了电吸收调制激光器功耗并优化了交流耦合，提高了电吸收调制激光器的高频性能。

Description

一种电吸收调制激光器的偏置电路及其调试方法

技术领域

本发明涉及数字光纤传输技术领域，尤其涉及一种电吸收调制激光器的偏置电路及其调试方法。

背景技术

随着光通信技术的不断发展，光收发合一模块已经越来越广泛地应用到光纤通讯系统中。光收发合一模块是光纤通讯系统的关键技术之一，起着电/光、光/电转换的作用，其性能对光纤通讯系统性能指标有着重要影响。光收发合一模块通常采用电吸收调制激光器(Electroabsorption Modulated Laser，EML)，EML主要包括：光电探测器(Photodetector，PD)、激光二极管(Laser Diode，LD)和电吸收调制器(Electro-absorption Modulator，EAM)，其中PD用于将光信号转换为电信号。LD用于产生激光，对于LD来说，要使其产生激光，必须往LD注入偏置电流，即偏置电流由LD的阳极流入LD的阴极，要保证偏置电流从LD的阳极流入LD的阴极，LD必须正向偏置。EAM以LD产生的激光作为光载波，将调制电压调制到光载波上，得到调制后的光信号。EAM对LD产生的激光进行调制的原理为：给EAM加上适当的反向偏压，由于EAM的非线性吸收特性，在EAM的调制范围内，随着反向偏压的增加，EAM对光强的吸收以接近于指数的形式增加，使得反向偏压增大时，只有很小的光功率透过，因此，经EAM调制后输出的光载波上携带了调制电压信号。

传统的电吸收调制激光器中，用于提供调制电压的驱动器和EAM之间的耦合方式有两种，一种是传统的直流DC耦合方式，如图1所示，驱动器的输出直接连接到EAM的阳极，EAM的阴极接地，R₁为匹配电阻并接在EAM的两端。另一种是传统的交流AC耦合方式，见图2所示，驱动器的输出经电容C₁连接到EAM的阳极，EAM的阴极接地，由于采用交流耦合，需要在驱动器上加直流偏置电压电路BIAS-T1，在EAM上加直流偏置电压电路BIAS-T2，BIAS-T1和BIAS-T2用来分别为驱动器和EAM提供直流偏置电压，主要由磁珠和电感组成，用来通直流，阻交流。因此，当驱动器和EAM采用AC耦合方式时，需要在EAM上加直流偏置电压电路(即电路BIAS-T2)，使EAM的反向偏压落入EAM的调制范围内，即满足随着反向偏压的增加，电吸收调制器对光强的吸收以接近于指数的形式增加。

对于光通讯系统，光载波的均值光功率对于系统的稳定性起到至关重要的作用。为了使LD产生激光，需要在LD上加偏置电流，而EML的输出功率主要由LD的偏置电流决定，只要LD的偏置电流稳定，就可以保证EML输出光功率稳定。

但目前上述结构及连接方式的EML存在很大的缺点：如果驱动器和EAM采用DC耦合的方式，为了获得好的消光比和色散代价指标，驱动器输出交流信号的幅度要足够大，因此对驱动器的功耗要求大，驱动器功耗大，造成EML的功耗大。如果驱动器和EAM采用AC耦合的方式，可以降低驱动器的功耗，但是需要在EAM上增加直流偏置电压电路(BIAS-T2)，EAM上增加直流偏置电压电路能够保证激光器输出光功率稳定，但直流偏置电压电路的存在会降低激光器的高频性能。这是因为直流偏置电压电路目的是为EAM提供直流偏置电压，但同时要保证驱动器输出的高频交流信号完全进入EAM，所以直流偏置电流一般包括电感等器件，可以通直流，阻交流，但是由于所用器件为非理想器件，不可避免存在寄生参数，即存在寄生电阻和寄生电容，导致驱动器输出的高频交流信号存在分流，流入EAM的高频交流信号受到损伤，造成激光器输出光载波抖动大，眼图模板裕量小。

发明内容

本发明提出一种电吸收调制激光器的偏置电路及其调试方法，用于为电吸收调制激光器中LD提供正向偏置电压使其产生偏置电流，及向电吸收调制器提供直流偏置电压，该偏置电路及调制方法降低了电吸收调制激光器功耗，优化交流耦合，提高电吸收调制激光器的高频性能。

为实现上述目的，本发明提供一种电吸收调制激光器的偏置电路，其包括：

驱动电路，用于向电吸收调制激光器中的激光二极管提供使其产生激光的正向偏置电压；

直流偏置电压电路，与电吸收调制激光器中的电吸收调制器的阴极连接，用于向所述电吸收调制器的阴极提供一个正的直流偏置电压，使电吸收调制器的反向偏压落在调制范围内，所述电吸收调制器在其反向偏压落在调制范围内情况下，以激光二极管产生的激光为光载波，将调制电压调制到所述光载波上，输出调制后的光信号。

本发明还提供了一种基于上述电吸收调制激光器的偏置电路的调试方法，该方法包括步骤：

调节直流偏置电压电路为电吸收调制器的阴极提供的正的直流偏置电压，使得电吸收调制器的反向偏压落在调制范围内；

改变功率预设电压和第一放大器的增益，使比较器输出的差值信号为光功率误差信号；

利用比较器输出的差值信号和偏置电流检测电路输出的第一电压信号，调节反馈控制器输出的电压控制信号，使得偏置电流检测电路所检测的偏置电流满足电吸收调制激光器的输出光功率要求。

本发明提出的电吸收调制激光器的偏置电路及其调试方法具有有益效果：

1)由于在EAM的阴极提供了正的直流偏置电压，使驱动器输出交流信号的幅度降低，从而进一步降低了其匹配电阻上的功耗；

2)用地线与EAM的阴极交流耦合，去掉了现有直流偏置电压电路的电感和磁珠等器件，从而优化了交流耦合，可以提高电吸收调制激光器的高频性能；

3)利用反馈控制电路提高了电吸收调制激光器输出光信号的质量，即输出光信号抖动小，眼图模板裕量大，色散代价小，从而提升电吸收调制激光器的整体性能。

附图说明

图1为现有电吸收调制激光器中驱动器与EAM采用DC耦合连接电路图；

图2为现有电吸收调制激光器中驱动器与EAM采用AC耦合连接电路图；

图3为本发明实施例中电吸收调制激光器的偏置电路与电吸收调制激光器连接的内部结构图；

图4为本发明实施例中驱动电路及偏置电流检测电路的内部结构及连接电路图；

图5为本发明实施例中反馈控制器采用比例积分控制电路时的电路图；

图6为本发明实施例中直流偏置电压电路的电路图；

图7为本发明实施例中电吸收调制激光器封装图；

图8为本发明提供的电吸收调制激光器的偏置电路的调试方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图，将对本发明提出的电吸收调制激光器的偏置电路及其调试方法的具体实施例加以详细描述。

本发明所提供的电吸收调制激光器的偏置电路，包括：

驱动电路，用于向电吸收调制激光器中的激光二极管LD提供使其产生激光的正向偏置电压，电吸收调制激光器中的激光二极管LD，用于在正向偏置电压驱动下产生激光，如前所述，LD只有满足正向偏置电压情况下，才会存在偏置电流进而产生激光；

直流偏置电压电路，与电吸收调制激光器中的电吸收调制器EAM的阴极连接，用于向EAM的阴极提供一个正的直流偏置电压，使EAM的反向偏压落在调制范围内，所述EAM在其反向偏压落在调制范围内情况下，以LD产生的激光为光载波，将调制电压调制到所述光载波上，输出调制后的光信号。如前所述，在反向偏压落在调制范围内时，随着反向偏压的增加，EAM对光强的吸收以接近于指数的形式增加，使得反向偏压增大时，只有很小的光功率透过，达到调制目的。直流偏置电压电路向EAM的阴极提供一个正的直流偏置电压，使驱动器输出交流信号的幅度降低，从而使加在驱动器和热电制冷器上匹配电阻上的电压的有效值降低，降低匹配电阻上的功耗，也就降低了电吸收调制激光器的功耗。上述热电制冷器用于降低电吸收调制器管芯的温度。

电吸收调制激光器中的驱动器向EAM的阳极提供调制电压，与电吸收调制器的阳极采用耦合连接方式连接，所以调制电压为幅值较小的交流电压。

优选地，电吸收调制激光器的偏置电路还包括地线，该地线与电吸收调制器的阴极交流耦合，具体为EAM的阴极通过电容与地连接，该电容用于隔直流、通交流。这样去掉了现有直流偏置电压电路的电感和磁珠等器件，从而优化了交流耦合，可以提高电吸收调制激光器的高频性能。电吸收调制器中的EAM的阴极与LD的阴极连接在一起。

该电吸收调制器还包括反馈控制电路，以调制后的光信号为第一反馈信号，及以LD在正向偏置电压驱动下产生的偏置电流为第二反馈信号，获取用于控制驱动电路的电压控制信号V_CON；在V_CON的控制下，驱动电路调整向LD提供的正向偏置电压，以调整所述激光二极管中的偏置电流，由于偏置电流决定了输出光功率的稳定性，因而通过反馈调制机制使电吸收调制器输出的光功率稳定，提高了电吸收调制激光器输出光信号的质量。

依照本发明的实施一中的电吸收调制激光器的偏置电路，如图3所示，该电吸收调制激光器的偏置电路包括：驱动电路，与LD阳极连接，用于向电吸收调制激光器中的LD提供使其产生激光的正向偏置电压；直流偏置电压电路，与电吸收调制激光器中的EAM的阴极连接，用于向EAM的阴极提供一个正的直流偏置电压，使EAM的反向偏压落在调制范围内；地线，与EAM的阴极交流耦合，即EAM的阴极交流耦合到地，且EAM的阴极与LD的阴极连接。电吸收调制激光器中驱动器的输出端与EAM的阳极采用交流耦合连接。反馈控制电路，以调制后的光信号为第一反馈信号，及以LD在正向偏置电压驱动下产生的偏置电流为第二反馈信号，获取用于控制驱动电路的电压控制信号V_CON；驱动电路在电压控制信号V_CON的控制下，调整向LD提供的正向偏置电压，以调整LD中的偏置电流。

如图3所示，本实施例中反馈控制电路包括：

偏置电流检测电路，用于检测LD中的偏置电流，将其转换为第一电压信号V_BIAS并输出，由于驱动电路与LD有串联连接部分，所以对驱动电路中该串联连接部分的电流取样即可获得LD中的偏置电流。

第一放大器，用于将电吸收调制激光器中光电探测器PD输出的光电流Ipd转换为第二电压信号并放大，所述PD用于感应EAM调制后的光信号的光功率，并将其转换为光电流Ipd；一般直接转换后的电压信号比较小所以进行预设倍数的放大，本实施例第一放大器采用跨阻放大器，跨阻放大器采用高输入阻抗负反馈结构，具有设计简单和带宽高的特点；跨阻放大器的跨阻增益通过一个8位的数字电位器进行调节；第一放大器的输出作为功率反馈电压输入到比较器中。

比较器，将功率反馈电压与预设功率电压V_SET比较，比较得到的差值信号V_ERR，该预设功率电压由理想功率电压经相同预设倍数的放大后得到，本实施例中预设功率电压信号通过一个12位的数字模拟转换器进行调节；

反馈控制器C(z)，用于依据比较器得到的差值信号V_ERR和偏置电流检测电路输出的第一电压信号V_BIAS，产生用于控制驱动电路的电压控制信号并输出，由于LD中偏置电流决定了输出光功率，因此在通过差值信号V_ERR获得有功光率误差时，根据偏置电流检测电路所检测的偏置电流获得调制的方向，进行计算获得电压控制信号。

本实施例中的驱动电路采用三极管驱动电路，如图4所示，三极管驱动电路包括正电源基准、三极管、限流电阻R₄和电流取样电阻R₃组成，正电源基准采用+5V。使用反馈控制器的输出来控制三极管基极电压，从而控制三极管的集电极电流，再用集电极电流来驱动LD。该三极管的基极接入电压控制信号，所述三极管的集电极与LD阳极连接，向其提供正向偏置电压，三极管的发射极与正电源连接。因此反馈控制器根据差值信号V_ERR和偏置电流检测电路检测到第一电压信号V_BIAS，控制三极管基极的电压，三极管再用集电极电流驱动LD，三极管集电极中的电流即为偏置电流。该偏置电流检测电路包括：电流取样电阻R₃，R₃串联连接在所述三极管的集电极；第二放大器，其两个输入端分别与R₃两端连接，用于将R₃中的电流转换为电压信号并放大输出第一电压信号。达到对LD中偏置电流的取样。

本实施例中反馈控制器采用比例积分控制电路，根据差值信号V_ERR和偏置电流检测电路检测到第一电压信号V_BIAS，采用比例积分控制算法获得电压控制信号V_CON。如图5所示，该比例积分控制电路包括：

第三放大器，其反相输入经第一电阻R₁连接第一电压信号V_BIAS，正相输入端接入差值信号V_ERR，输出端经串联连接的第一电容C₁和第二电阻R₂接入反相输入端，R₁和R₂构成比例环节，R₁和C₁构成积分环节，通过修改这三个阻容器件的参数来调节比例系数和积分系数，优化系统的性能。其中比例系数等于R₂/R₁，积分系数等于1/R₁C₁。第三放大器的输出端所输出的电压控制信号V_CON为：

V_CON＝V_ERR-((1+R₂C₁S)/R₁C₁S)V_BIAS，S为设定的复变量。

本实施例中电吸收调制激光器的偏置电路用于为LD提供偏置偏流和为EAM提供反向偏压，通过封装后电路板的外围接口与电吸收调制激光器实现连接。如图3所示，电吸收调制激光器包括：驱动器、EAM、LD和PD；电吸收调制激光器的偏置电路包括为EAM提供直流偏置电压的直流偏置电压电路和为LD提供偏置电流的驱动电路，及对驱动电路进行控制的反馈控制电路中的第一放大器、比较器、反馈控制器和偏置电流检测电路。本发明中将为EAM提供直流偏置电压的电路和为LD提供直流偏置电流的电路集成在一起，即将EAM阴极和LD的阴极接在一起。EAM阴极和LD的阴极连接到直流偏置电压电路上，所以如图3所示，直流偏置电压电路为偏置电流提供了回路。

因为设定正电压来自数字器件，其供电只能采用正电源，一级运放得到的电压极性与原电压极性相反，而直流偏置电压要求为正电压，因此极性需再反转一次，即要采用两级运放。本实施例中直流偏置电压电路包括级联连接的第一运算放大器(简称第一运放)和第二运算放大器(简称第二运放)，第一运放的反相端接入设定正电压，第二运放的输出端经扩流电路接入电吸收调制器的阴极；级联连接的第一运算放大器和第二运算放大器构成同相比例放大电路，设定正电压经该同相比例放大电路输入到电吸收调制器的阴极。如图6所示，本实施例中的直流偏置电压电路的结构为：第一运放大的正相端接地，反相端经第一输入电阻R₅接入设定正电压，输出端经第一反馈电路与反相端连接，反相端的第一输入电阻R₅和第一反馈电路中的电阻构成反相比例放大电路，所以第一运放的输出电压与设定正电压大小相等，极性相反；第二运放的正相端接地，反相端经第二输入电阻R₆接入第一运放的输出端，第二运放的输出端接入扩流电路输入端，扩流电路输出端经第二反馈电路与第二运放的反相端连接，扩流电路输出的直流偏置电压与设定正电压大小相等，极性相同。第二运放的反相端的第二输入电阻R6和第二反馈电路中的电阻构成反相比例放大电路，所以扩流电路用于对第二运算放大器输出进行扩流，其输出端接入所述电吸收调制器的阴极。本实施例中扩流电路采用PNP三极管实现，PNP三极管的集电极作为输出端接LD和EAM的阴极，基极作为输入端连接第二级运放的输出，发射极接地。设定正电压是一个范围可调的正电压，其调节范围决定了最后输出正电压的调节范围，设定正电压由参考电压和数字电位器的数值决定，通过调整数字电位器的数值，可以对EAM直流偏置电压进行动态调整，调节范围优选为0～1.8V。

以40G电吸收调制激光器的偏置电路为例，如图7所示为电吸收调制激光器封装图，电吸收调制激光器主要采用了14脚蝶形封装结构，电吸收调制激光器包括驱动器、EAM、LD、PD以及用于EAM管芯温度控制的负温度系数热敏电阻TH和TEC制冷器。RF1和RF2是高速的差分交流信号，但是信号幅度小，需要经过驱动器放大后才能驱动EAM。电吸收调制激光器的LD、PD与偏置电路中的跨阻放大器、比较器、反馈控制器、三极管驱动电路和直流偏置电流检测电路形成一个反馈控制环路，对激光器的偏置电流实现闭环控制。对采用本电路的40G电吸收调制激光器进行测试，70℃驱动器和TEC的功耗分别为1.5W和0.5W，激光器输出光信号眼图抖动小，眼图模板裕量为16％，经过40ps/nm传输，色散代价小于1.0dB。

依照本发明的实施例二中的电吸收调制激光器的偏置电路的调试方法，用于对实施例一中的电吸收调制激光器的偏置电路进行调试，如图8所示，该方法包括以下步骤：

S101，调节直流偏置电压电路为电吸收调制器的阴极提供的正的直流偏置电压，使得电吸收调制器的反向偏压落在调制范围内，本实施例中通过调节设定正电压来改变直流偏置电压电路为电吸收调制器的阴极提供正的直流偏置电压，调节设定正电压可以通过调节8位数字电位器的数值来实现；

S102，改变功率预设电压和第一放大器的增益，使比较器输出的差值信号为光功率误差信号，可以通过调节12位的数字模拟转换器的数值来改变功率预设电压，及通过调节跨阻放大器电路中的8位数字电位器的数值来改变跨阻放大器的增益，使跨阻放大器的增益与理想功率电压增益相等，从而保证输出的差值信号为功率误差信号；

S103，利用比较器输出的差值信号和偏置电流检测电路输出的第一电压信号，调节输出的电压控制信号，使得偏置电流检测电路所检测的偏置电流满足电吸收调制激光器的输出光功率要求。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种电吸收调制激光器的偏置电路，其特征在于，包括：

驱动电路，用于向电吸收调制激光器中的激光二极管提供使其产生激光的正向偏置电压；

直流偏置电压电路，与电吸收调制激光器中的电吸收调制器的阴极连接，用于向所述电吸收调制器的阴极提供一个正的直流偏置电压，使电吸收调制器的反向偏压落在调制范围内，所述电吸收调制器在其反向偏压落在调制范围内情况下，以激光二极管产生的激光为光载波，将调制电压调制到所述光载波上，输出调制后的光信号。

2.如权利要求1所述电吸收调制激光器的偏置电路，其特征在于，还包括：

反馈控制电路，根据所述调制后的光信号及激光二极管在正向偏置电压驱动下产生的偏置电流，获取用于控制驱动电路的电压控制信号；

在所述电压控制信号的控制下，所述驱动电路调整向所述激光二极管提供的正向偏置电压，以调整所述激光二极管中的偏置电流。

3.如权利要求2所述电吸收调制激光器的偏置电路，其特征在于，所述反馈控制电路包括：

偏置电流检测电路，用于检测所述激光二极管中的偏置电流，将其转换为第一电压信号并输出；

第一放大器，用于将电吸收调制激光器中光电探测器输出的光电流转换为第二电压信号并放大，所述光电探测器用于感应调制后的光信号的光功率，并将其转换为光电流；

比较器，用于将放大后的第二电压信号作为功率反馈电压与预设功率电压比较，比较得到的差值信号；

反馈控制器，用于依据所述比较器得到的差值信号和所述偏置电流检测电路输出的第一电压信号，产生用于控制驱动电路的电压控制信号并输出。

4.如权利要求2所述电吸收调制激光器的偏置电路，其特征在于，

所述驱动电路包括三极管，所述三极管的基极接入所述电压控制信号，所述三极管的集电极与所述激光二极管阳极连接，向其提供正向偏置电压，所述三极管的发射极与正电源连接。

5.如权利要求4所述电吸收调制激光器的偏置电路，其特征在于，所述偏置电流检测电路包括：

电流取样电阻，串联连接在所述三极管的集电极；

第二放大器，其两个输入端分别与所述电流取样电阻两端连接，用于将所述电流取样电阻中的电流转换为电压信号并放大输出第一电压信号。

6.如权利要求3所述电吸收调制激光器的偏置电路，其特征在于，

所述反馈控制器采用比例积分控制电路，该比例积分控制电路包括：

第三放大器，其反相输入经第一电阻连接所述第一电压信号，正相输入端接入所述差值信号，输出端经串联连接的第一电容和第二电阻接入反相输入端，第三放大器的输出端输出的电压控制信号为：

V_CON＝V_ERR-((1+R₂C₁S)/R₁C₁S)V_BIAS

其中V_CON为电压控制信号，R₁为第一电阻，R₂为第二电阻，C₁为第一电容，V_ERR为差值信号，V_BIAS为第一电压信号，S为复变量。

7.如权利要求1～6任一所述电吸收调制激光器的偏置电路，其特征在于，

所述直流偏置电压电路包括级联连接的第一运算放大器和第二运算放大器，第一运算放大器的反相端接入设定正电压，第二运算放大器的输出端经扩流电路接入电吸收调制器的阴极；

级联连接的第一运算放大器和第二运算放大器构成同相比例放大电路。

8.如权利要求7所述电吸收调制激光器的偏置电路，其特征在于，

所述第一运算放大器的正相端接地，反相端经第一输入电阻接入设定正电压，输出端经第一反馈电路与反相端连接，反相端的第一输入电阻和第一反馈电路中的电阻构成反相比例放大电路；

第二运算放大器的正相端接地，反相端经第二输入电阻接入第一运算放大器的输出端，第二运算放大器的输出端接入扩流电路输入端，所述扩流电路输出端经第二反馈电路与第二运算放大器的反相端连接，第二运算放大器的反相端的第二输入电阻和第二反馈电路中的电阻构成反相比例放大电路；

所述扩流电路用于对第二运算放大器输出进行扩流，其输出端同时接入所述电吸收调制器的阴极。

9.如权利要求1所述电吸收调制激光器的偏置电路，其特征在于，还包括：

地线，所述地线与电吸收调制器的阴极交流耦合，所述电吸收调制器的阴极与所述激光二极管的阴极连接。

10.一种电吸收调制激光器的偏置电路的调试方法，其特征在于，该方法包括步骤：

调节直流偏置电压电路为电吸收调制器的阴极提供的正的直流偏置电压，使得电吸收调制器的反向偏压落在调制范围内；

改变功率预设电压和第一放大器的增益，使比较器输出的差值信号为光功率误差信号；

利用比较器输出的差值信号和偏置电流检测电路输出的第一电压信号，调节反馈控制器输出的电压控制信号，使得偏置电流检测电路所检测的偏置电流满足电吸收调制激光器的输出光功率要求。

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