CN102255239A - 可调ld的驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调LD的驱动电路。在LD驱动器中，在不扩大电路尺寸的情况下减小了功耗。所述LD驱动器驱动包括SG-DFB区、CSG-DBR区和SOA区的可调LD，该LD驱动器包括：DC/DC转换器，其连接到电流源或电压源，每个电流源或电压源与SG-DFB区、CSG-DBR区和SOA区中的至少两个区耦接；以及电压控制器，控制共同提供给电流源或电压源的DC/DC转换器的输出。电压控制器单独监测上述至少两个区的偏置情况，并且将DC/DC转换器的输出设置为比当前提供给各区的电压中的最大电压超出使所述电流源或电压源正常操作的预设余量。

Description

可调LD的驱动电路
技术领域
本发明涉及一种半导体激光二极管(下文中表示为LD)的驱动电路，具体地，本发明的驱动电路用于波长可调LD。
背景技术
可调LD包括半导体光放大器(下文中表示为SOA)区、增益区和波长控制区，如图7所示。这些区是通过调整供给其的电压和/或电流来操作和控制的。供给各区的电流彼此不同。例如，增益区必须提供有约150mA的电流，SOA区须提供有另一约200mA的电流，而波长控制区则必须提供有约100mA的电流。因此，为各区提供单独且不同的电流源。此外，波长控制区有时需要多个电流源。增益区的电流通常被固定为指定值，而SOA区和波长控制区的电流则依赖于输出光的波长。
图5图示出了传统的可调LD的驱动电路100。驱动电路100驱动可调LD 101，可调LD 101提供增益区101a、波长控制区101b和SOA区101c。驱动电路100包括三个电流源102至104；即，连接到SOA区101c的第一电流源102、连接到增益区101a的第二电流源103、和连接到波长控制区101b的第三电流源104。由图5中通常用于二极管的符号简单示出的SOA区101c和增益区101a形成在共同的半导体基底上。此外，可以由电压源代替的电流源102至104中的任意一个都连接到电源Vcc，并且都由电压控制器105控制其输出电流。
但是，如图5所示的那些传统的可调LD的驱动电路100的各电流源102至104具有共同的电源Vcc，而该共同的电源Vcc必须被设置为具有满足所有期望条件(包括光输出功率、LD的老化、操作温度、输出波长的突然改变等)的最大电压。因此，驱动电路的功耗必然变大。近来的光收发器都将以小尺寸封装的可调LD(诸如在XFP标准中定义的那些)实现。因此，必须进一步降低功耗。
公布为USP 7,778,294的美国专利公开了一种设备，其安装有用于驱动LD的激光器驱动器来在光盘上写信息。图6是该专利中所公开的激光器驱动器的方框图。所述光盘设备包括LD 201、驱动LD 201的激光器驱动器202。该设备还提供有用来检测施加到LD 201的偏置电压的检测器204、用来改变提供给驱动器202的功率的DC/DC转换器203、和用来控制DC/DC转换器203的CPU。
但是，将图6中所示的LD驱动器应用到图5中所示的可调LD，则各区(即，波长控制区101b和SOA区101c)必须实现有图6中所示的单独的电源电路，这必然会使驱动电路变大。本发明针对上述主题提供了一种解决方案。
发明内容
一种可调LD的驱动电路，可调LD包括用于产生光的提供有第一电流的增益区(SG-DFB区)、提供有第二电流的波长选择区(CSG-DBR区)、和提供有第三电流的放大区(SOA区)，该驱动电路具有如下特征：其包括DC/DC转换器和电压控制器，DC/DC转换器的输出被共同提供给用于向各区提供所述第一至第三电流的电流源中的至少两个电流源，电压控制器用来控制DC/DC转换器的输出，以通过分别监测SG-DFB区、CSG-DBR区和SOA区的偏置电流来使得DC/DC转换器的输出与这样的值相等，该值比当前施加到各区的偏置电压中的最高偏置电压大电流源正常操作所必须的预设余量。
本发明的驱动电路可以提供一个DC/DC转换器，DC/DC转换器的输出被共同提供给至少两个电流源，这两个电流源中的每个电流源都向SG-DGB区、CSG-DBR区和SOA区中的两个提供电流；并且DC/DC转换器的输出可以被调整为操作特定电流源所必需的最小电压，该最小电压是比当前提供给各区的最大值大预设余量的值，其中该预设余量对正常操作电流源是必须的。
附图说明
从以下参考附图对本发明优选实施例的详细描述，可以更好地理解上述及其他目的、方面和优点，其中：
图1是根据本发明的第一实施例的波长可调LD的驱动电路的方框图；
图2A是实现有本发明的驱动电路的电流源的电路图；以及图2B是本发明的电流源的另一电路图；
图3是波长可调LD的驱动电路的方框图，其是根据本发明的第二实施例的电路；
图4是波长可调LD的驱动电路的方框图，其是根据本发明的第三实施例的电路；
图5是传统的可调LD的驱动电路的方框图；
图6是现有技术中所公开的驱动电路和一些外围电路的方框图；以及
图7图示出了由本发明的驱动电路驱动的可调LD的沿纵向的截面示意图。
具体实施方式
接下来，参考附图来描述根据本发明的一些优选实施例。在附图的描述中，在不重叠说明的情况下，相同或相似的数字或符号表示相同或相似的元件。
(第一实施例)
图1是可调LD 10的驱动电路的方框图，而图7图示出了可调LD 10的截面图。参考图7，可调LD 10包括CSG-DBR(线性调频脉冲取样光栅分布布格拉反射器)区12、SG-DFB(取样光栅分布反馈)区11、和SOA(半导体光放大器)区13，其中这三个区串联耦接并且可以集成在共同的半导体基底上。
作为光增益区的SG-DFB区11将下覆层10b、有源层11a、上覆层10e、接触层11b和电极11e堆叠起来。作为波长选择区的CSG-DBR区12包括共同基底10a上的下覆层10b、波导层12a、上覆层10e、绝缘膜12b、和多个加热器12h1至12h3。加热器12h1至12h3中的每一个都提供电极12e1至12e3和接地12G。SOA区12延接SG-DFB区11，并且包括也在共同基底10a上的下覆层10b、放大层13a、上覆层10e、接触层13b和电极13e。图7中所示的本实施例在DG-DFB区11中的电极11e与SOA区13的电极13e之间提供绝缘膜。可调LD 10在SC-DFB区11、CSG-DBR区12和SOA区13中共同提供半导体基底10a、下覆层10b和上覆层10e；并且提供具有共同的底部水平面的有源层11a、波导层12a和放大层13a，即这三层11a、12a和13a被形成在具有基本平坦的上部水平面的下覆层10b上。
SOA区13中的刻面(facet)在基底10a、下覆层10b、放大层13a和构成发光表面的上覆层10e的刻面(即，可调LD 10的前刻面)上提供减反射(AR)膜10d；而CSG-DBR区12的另一刻面在基底10a、下覆层10b、波导层12a和构成反光表面的上覆层10e的刻面(即，可调LD 10的后刻面)上提供反射膜10c。加热器12h1至12h3的接地12G在可调LD 10的外部连接到基底10a的背面。
在SG-DFB区11和CSG-DBR区12的下覆层10b中形成多个光栅10G。光栅10G由折射率不同于下覆层10b的折射率的材料制成。每个光栅10G与没有任何光栅10G的邻近空间耦接来构成一个区段。CSG-DBR区提供至少两类区段，各类区段彼此之间具有不同的光程长。CSG-DBR区12的峰值反射率(即，反射率本身)和显示峰值反射率的波长极大地依赖于各区段的光程长。而SG-DFB区12中的分段的每一个彼此之间具有基本相等的光程长。
SG-DFB区11的有源层11a可以由在目标波长显示出光增益的材料制成；而CSG-DBR区12的波导层12a可以由帯隙波长短于可调LD的振荡波长的材料制成，即，CSG-DBR区12的波导层12a对于在SG-DFB区11中产生的光来说基本透明。SG-DFB区11提供电极11e来向其中的有源层11a注入载流子。SG-DFB区11的电极11e对应于以下描述中的第一电极。通过从电极11e注入载流子，有源层11a可以产生光。
CSG-DBR区12的电极12e1至12e3中的一个可以为第二电极。SG-DFB区12可以通过提供从加热器电极12e1至12e3到接地12G的电流来调节LD 10的波长。因此，本实施例的可调LD 10可以通过注入其的电流根据SG-DFB区11与CSG-DBR区12之间的所谓的游标机制来调节从其发出的光的波长。SOA区13可以通过从电极13e注入电流来在放大层13a中显示出增益。该电极13e可以是第三电极。
本实施例的驱动器1A还可以提供DC/DC转换器20、电压控制器30、电流源41至43、监控光电二极管(下文中表示为mPD)50、APC(自动功率控制)电路60、和电流控制器70。
DC/DC转换器20向SG-DFB区11、CSG-DBR区12和SOA区13提供功率。即，DC/DC转换器20可以通过电流源或电压源来与上述三个区11至13中的至少两个区耦接。图1中所示的驱动器通过电流源41至43将DC/DC转换器20与可调LD 10的所有三个区11至13耦接。DC/DC转换器20的输出Vout可以通过其从电压控制器30提供的输入Sv来控制。
电流源41可以根据从电流控制器70提供的控制信号Sc1来调整提供到SG-DFB区11的电流。电流源42可以根据从电流控制器70提供的控制信号Sc2来调整提供到CSG-DBR区12的电流。第三电流源43可以根据来自APC电路60的信号Sapc来提供供给SOA区13的电流。
图2A和2B示出了电流源41至43的结构。图2A中示出的电流源电路包括两个pnp晶体管44a和44b以及一个npn晶体管44c。两个pnp晶体管44a和44b构成一个电流镜电路，其中作为控制电极的各基极和作为电流电极之一的各发射极分别连接在一起；而晶体管44a的基极与集电极短路。因此，第一晶体管44a作为源晶体管，而第二晶体管44b作为镜像晶体管。电流镜电路的共发射极接收DC/DC转换器20的输出Vout。
电流镜电路的一个路径(即，短路的集电极和基极)与第三晶体管44c的集电极连接。第三晶体管44c的发射极通过电阻45接地。电流镜电路的另一路径(即，第二晶体管44b的集电极)通向可调LD 10的电极11e、12e或13e。第三晶体管44c的基极输入Sapc、Sc1或Sc2可以确定提供到可调LD的电极的电流大小。图2B中示出了电流源41至43的另一结构。图2B中的该电路用FET 46a至46c代替图2A中的双极晶体管44a至44c。第三FET 46c的栅极输入(其为与图2A中所示相同的信号Sapc、Sc1或Sc2)可以确定提供给可调LD 10的电极的电流大小。电流源41至43的输出电压根据第三晶体管43c或46c的栅极输入而改变。
再次参考图1，电压控制器30可以控制DC/DC转换器20的输出Vout。具体地，电压控制器30可以通过监测各输出电平将DC/DC转换器的输出Vout调整为超出电流源41至43的输出中的最大电压电平的预定余量。更具体地，电极11e、12e1至12e3、和13e中的一个以最大电压电平偏置，该最大电压电平由系统根据诸如来自可调LD 10的光输出水平、所选波长、SG-DFB区的长期退化等各种因素确定。电压控制器30将DC/DC转换器20的输出Vout设置为超出当前所监测的该最大电压电平预定余量。所述预定余量对应于正常操作电流源41至43所必需的电压。具体地，在图2A中所示的电流源中，余量变为第二晶体管44b的发射极与集电极之间电压Vce＝0.9V，而在图2B所示的电路中，余量变为第二FET 46b的源极与漏极之间的电压Vds＝0.5V。
mPD 50依靠可调LD 10的光输出来产生光电流。来自mPD 50的光电流通向APC电路60，并且APC电路60调整控制信号Sapc以使得该光电流等于目标幅值。与SOA区13耦接的电流源43可以调整注入SOA区13的电流，该电流控制可调LD 10的光输出并且还改变施加到SOA区13的偏置电平。
这样配置的驱动电路1A可以通过共同的DC/DC转换器20来对SG-DFB区11、CSG-DBR区12和SOA区13进行偏置，这与其中每个电流源提供一个单独的DC/DC转换器相比，可以使得驱动电路1A紧凑。此外，驱动电路1A监控电流源的各输出电压电平，并且可以将共同的DC/DC转换器20的输出Vout调整为比电流源41至43的输出之一(其当前针对可调LD 10的各电极输出最大偏置电平)超出正常操作电流源41至43所必需的预定余量，这可以使DC/DC转换器20的输出Vout以及驱动电路1A的功耗最小化。
假设以下这种情况：其中可调LD 10的各电极11e、12e1至12e3和13e最大必须被偏置1.8V，而所述电极中的一个当前被偏置为1.5V，其在所有电极中是最大的；并且流入区11至13的电流分别为200、100和150mA；当电流源102至104的布置与图2B中所示布置相同时，图5中所示的传统驱动电路中的电源Vcc必须输出2.3V(1.8[V]+0.5[V])，且其功耗变成2.3[V]×0.45[A]＝1.035[W]。而当前的驱动电路1A可能仅将DC/DC转换器20的输出Vout设置为等于2.0[V](1.5[V]+0.5[V])，且其功耗变成2.0[V]×0.45[A]＝0.90[W]，其比传统的驱动器少0.135[W]。因此，驱动电路1A的功耗可以减少13％。
(第二实施例)
图3示出了根据本发明的第二实施例的驱动电路1B的方框图。驱动电路1B包括两个DC/DC转换器21和22、电压控制器31、三个电流源41至43、mPD 50、APC电路60、以及电流控制器70。可调LD 10的布置与图1中所示的相同。
第一DC/DC转换器21向可调LD 10的至少两个区提供功率。具体地，第一DC/DC转换器21向可调LD 10的SG-DFB区11和CSG-DBR区12提供功率。第二DC/DC转换器22向SOA区13提供功率。两个DC/DC转换器21和22提供输入端，从电压控制器31向该输入端发送控制信号Sv1和Sv2以调整两个DC/DC转换器21和22的输出Vout1和Vout2。
如上所述，电压控制器31提供控制各DC/DC转换器21和22的输出电压Vout1和Vout2的两个控制信号。电压控制器31可以监测施加到SG-DFB区11和CSG-DBR区12的偏压，并且将DC/DC转换器21的输出Vout被控制为比当前所施加的最大偏压超出使电流源41和42正常操作的预定余量。同时，电压控制器31单独监测施加到SOA区13的偏压，并且将提供给最后的电流源43的输出Vout2控制为比当前所施加的偏置超出使电流源43常操作的预定余量。
以下将描述驱动电路1B的操作。首先，驱动电路1B设置在可调LD 10输出预定波长光的各初始情况下提供给SG-DFB区11和CSG-DBR区12的电流。同时，驱动电路1B还设置提供给SOA区13的电流，以使得可调LD 10输出其波长被设置为上述预定波长的预设幅度的光。在这些过程中，DC/DC转换器的输出Vout1和Vout2被设置为几乎等于电源Vcc，即，电流源41至43被提供有几乎等于电源Vcc的足够的电压。然后，电压控制器31单独地监测设置在SG-DFB区11和CSG-DBR区12中的偏压，并且减小第一DC/DC转换器21的输出Vout1以使得输出Vout1比电流源41和42的各输出中的较高的输出超出预定余量，从而正常地操作所述电流源，同时还将第DC/DC转换器22的输出Vout2减小为比当前施加到SOA区13的偏压超出预定余量。
在该图3所示的驱动电路1B中，两个电流源41和42共同提供有来自第一DC/DC转换器21的输出Vout1，这可以减少DC/DC转换器的数量。特别地，尽管图1和图3仅示出针对CSG-DBR区12的一个电流源42，但是，为了精确地确定从可调LD 10输出的光的波长，对于CSG-DBR区12，需要与在CSG-DBR区12中所实现的加热器的数量成比例的多个电流源。在这种情况下，根据本实施例的驱动电路1A或1B的布置可以有效地简化其结构并减小其功耗。在其中SOA区13被从独立于另一DC/DC转换器21的特定DC/DC转换器22提供偏置电流的图3所示的驱动电路1B的布置中，由于SOA区13的偏置条件依赖于APC回路而经常与其他区大不相同，因此可以进一步减小驱动电路1B的功耗。例如，SOA区13的偏置条件有时在较低电压情况下被设置为较大电流。在这种情况下，仅针对SOA区13的独立的DC/DC转换器22可以将其输出Vout2设置为相对较低的电压，这可以有效地减少电流源43的不必要功耗。
(第三实施例)
图4是根据本发明的第三实施例的可调LD的驱动电路的方框图。不同于上述图1和图3中所示的实施例，驱动电路1C具有可调LD 10与电流源51至53之间的连接。
即，本实施例的第一电流源51被设置在SG-DFB区11与接地81之间，并且可以通过从电流控制器70提供的控制信号Sc1来调整其中流动的电流。设置在CSG-DBR区12与接地81之间的第二电流源52可以通过同样从电流控制器70提供的控制信号Sc2来调整其中流动的电流。设置在SOA区13与接地71之间的第三电流源53可以通过从APC电路60提供的信号Sapc来调整电流。
本实施例的电压控制器30可以监测出现在电流源51至53中的偏压，并且可以调整DC/DC转换器20的输出Vout，以使得施加在电流源51至53的偏压中的最小偏压变为超出正常操作电流源51至53所必需的预设余量的值。即使在类似图4中所示本实施例的其中电流源被设置在可调LD 10与接地之间的驱动电路1C中，电压控制器30也可以将DC/DC转换器20的输出Vout调整为正常操作电流源所必需的最小电压，这可以减少驱动电路1C的功耗。
尽管参考附图并结合其优选实施例来充分描述了本发明，但是应该理解的是，对于本领域技术人员来说各种改变和变型都是显而易见的。只要不脱离本发明的范围，这些改变和变型都被理解为包括在所附权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种波长可调激光二极管的驱动电路，所述波长可调激光二极管包括：光增益区，用于产生光，且通过第一电极提供有来自第一源的第一电流；波长选择区，用于设置所述光的波长，且通过第二电极提供有来自第二源的第二电流；以及光放大区，用于放大所述光，且通过第三电极提供有来自第三源的第三电流，所述驱动电路包括：
DC/DC转换器，被配置为与所述第一至第三源中的至少两个源耦接；以及
电压控制器，用于控制向所述第一至第三源中的所述至少两个源提供的所述DC/DC转换器的输出，
其中，所述电压控制器通过单独监测所述第一至第三源中的所述至少两个源的所述输出，将所述DC/DC转换器的所述输出设置为等于比所述输出中的最大输出大使各所述源正常操作的预定余量的电压。
2.根据权利要求1所述的驱动电路，
其中，所述第一源和所述第二源共同提供有所述DC/DC转换器的所述输出，以及所述第三源提供有另一DC/DC转换器的输出。
3.根据权利要求1所述的驱动电路，
其中，所述第三源是由自动功率控制电路所控制的电流源，所述自动功率控制电路包括光电二极管，用于监测所述波长可调激光二极管的光输出。
4.根据权利要求3所述的驱动电路，
其中，所述电流源包括电流镜电路，所述电流镜电路提供源晶体管和镜像晶体管，所述镜像晶体管的控制电极连接到所述源晶体管的控制电极，以及
其中，所述预设余量是所述镜像晶体管的电流电极之间的电压差。
5.根据权利要求1所述的驱动电路，
其中，所述第一源和所述第二源都是由电流控制器控制以设置所述波长可调激光二极管的所述波长的电流源。
6.根据权利要求5所述的驱动电路，
其中，所述电流源中的每一个均包括电流镜电路，所述电流镜电路提供源晶体管和镜像晶体管，所述镜像晶体管的控制电极连接到所述源晶体管的控制电极，以及
其中所述预设余量是所述镜像晶体管的电流电极之间的电压差。
7.一种驱动波长可调激光二极管的驱动电路，所述波长可调激光二极管包括：SG-DFB区，用于产生光；CSG-DBR区，用于确定所述光的波长；以及SOA区，用于对在所述SG-DFB区中产生的所述光及其由所述CSG-DFB区确定的所述波长进行放大，所述驱动电路包括：
第一电流源，被配置为使所述SG-DFB区偏置来产生所述光；
第二电流源，被配置为使所述CSG-DBR区偏置来向所述CSG-DBR区内实现的加热器提供电流；
第三电流源，被配置为使所述SOA区偏置；
DC/DC转换器，用于向所述第一至第三电流源提供输出；以及
电压控制器，用于通过监测所述第一电流源对所述SG-DFB区的偏置电平、所述第二电流源对所述CSG-DBR区的偏置电平、以及所述第三电流源对所述SOA区的偏置电平来控制所述DC/DC转换器的所述输出，
其中，所述DC/DC转换器的所述输出被设置为等于比所述偏置电平中的最大偏置电平大使所述第一至第三电流源正常操作的预设余量的值。
8.一种驱动波长可调LD的驱动电路，所述波长可调LD包括：SG-DFB区，用于产生光；CSG-DBR区，用于确定所述光的波长；以及SOA区，用于对在所述SG-DFB区中产生的所述光及其由所述CSG-DBR区确定的所述波长进行放大，所述驱动电路包括：
第一电流源，被配置为使所述SG-DFB区偏置来提供第一电流；
第二电流源，被配置为使所述CSG-DBR区偏置来提供第二电流；
第三电流源，被配置为使所述SOA区偏置来提供第三电流；
第一DC/DC转换器，向所述第一电流源和所述第二电流源提供第一输出；
第二DC/DC转换器，向所述第三电流源提供第二输出；以及
电压控制器，被配置为单独监测所述第一电流源对所述SG-DFB区的第一偏置电平、所述第二电流源对所述CSG-DBR区的第二偏置电平、以及所述第三电流源对所述SOA区的第三偏置电平，
其中，所述电压控制器将所述第一DC/DC转换器的所述第一输出设置为等于比所述第一偏置电平和所述第二偏置电平中的最大偏置电平大正常操作所述第一和第二电流源所必需的预设余量的值，以及
其中，所述电压控制器将所述第二DC/DC转换器的所述输出设置为等于比所述第三偏置电平大所述预设余量的值。
9.一种控制波长可调LD的方法，所述波长可调LD包括：SG-DFB区，用于通过提供有来自第一电流源的第一电流来产生光；CSG-DBR区，用于通过提供有来自第二电流源的第二电流来确定所述光的波长；以及SOA区，用于通过提供有来自第三电流源的第三电流来放大所述光，所述方法包括以下步骤：
将共同连接到所述第一至第三电流源的DC/DC转换器的输出设置为足以比正常操作所述电流源所必需的值高的一个值；
通过调整提供到所述SG-DFB区的所述第一电流和提供到所述CSG-DBR区的所述第二电流来选择所述波长；
通过调整提供到所述SOA区的所述第三电流来设置所述光的幅度；
通过监测偏置电压来确定分别提供给所述SG-DFB区、所述CSG-DBR区和所述SOA区的偏置电压中的最大偏置电压；以及
将所述DC/DC转换器的所述输出减小为比所述最大电压大正常操作所述电流源所必需的预设余量的另一电压。
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