CN104078841B - 一种光模块激光器数字开环温度补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发涉及光通信领域，特别涉及激光器温度补偿技术，具体指一种光模块激光器数字开环温度补偿系统，通过数字开环电路对光模块中的激光器进行温度补偿，以保证稳定的输出光功率和消光比，同时本发明还有效的实时监控了系统工作温度，偏置电流，背光电流，工作电压和收光功率值，极大地降低光模块的功耗，避免光模块长时间在高温条件性能劣化和故障的风险，保证了系统的稳定运行。同时本方案硬件简洁，相对集成的专用芯片方案成本低廉，生产简单易行。

Description

一种光模块激光器数字开环温度补偿系统

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，特别涉及光模块激光器温度补偿技术。

背景技术

光模块大量应用在光通信领域，是光通信设备上非常关键的一个组成部分。目前，光模块中一般采用FP(Fabry-Perot Laser) 法布里-珀罗激光器或DFB(DistributedFeedback Laser) 分布式反馈激光器作为光源，而这类半导体激光器的发光斜效率和阈值电流会随温度的变化而变化；发光斜效率随着环境温度的升高而逐渐减小，而阈值电流会随着环境温度的升高而增大。为了维持恒定的输出光功率和消光比，激光驱动器随环境温度的升高相应地增大激光器的偏置电流，而激光器的输出光功率将随激光器的偏置电流的增大而增大，阈值电流随温度上升而增大；输出功率与泵浦光效率的比值，即斜效率会随温度上升而下降。

光模块中激光器最重要的两个参数：激光功率和消光比，其值是由激光器驱动电路提供的偏置电流、调制电流，以及激光器本身的阈值电流和斜效率共同决定的。

为了使激光输出功率和消光比保持稳定，理想情况下，激光器偏置电流应随其阈值电流的变化而作同向变化；而调制电流应随其斜效率的变化而作反向变化。为了实现这个目的，目前光模块领域普遍采用集成的激光二极管驱动器（LDD），LDD一般都集成了自动功率控制（APC）和消光比控制（ERC）电路。其中闭环的APC电路一般采用背光二极管对实际的出光功率进行监测，将监测值与设置值进行比较，然后自动调节激光器的偏置电流的大小来调整出光功率；消光比控制电路（ERC）控制调制电流的大小，并且根据环境温度进行补偿使消光比恒定。

这种闭环的方式虽然可以使出光功率和消光比稳定，但随着温度的上升，偏置电流和调制电流会急剧增加，光模块的功耗增加，功耗的增加又加剧的环境温度的升高，这样恶性循环导致模块的性能下降，并使得模块在高温环境下容易发生故障和失效。

发明内容

为了克服现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种光模块激光器数字开环温度补偿系统，包括数字开环温度补偿功率控制电路，开环温度补偿消光比控制电路以及激光器系统参数监测电路；极大地降低光模块发射部分的功耗，避免激光器在高温环境下性能下降和故障的发生。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明涉及提供一种数字开环温度补偿功率控制电路，包括温度采集单元、第一ADC单元（ADC1）、控制器单元、DAC单元和偏置电流控制单元，其中所述温度采集单元、ADC单元、控制器单元、DAC单元和偏置电流控制单元依次连接；工作过程为：所述温度采集单元将采集到的实时工作温度值的模拟信号，经第一ADC单元（ADC1）转换成数字信号后传输到控制器单元中；控制器单元根据所述温度值和激光器的温度特性，输出一个数字信号的相应偏置电流的设置值；该偏置电流的设置值经过DAC单元转成模拟信号后，输入到偏置电流控制单元中；所述偏置电流控制单元把DAC输出的模拟信号经放大器调整后，输出一个大小随温度变化的偏置电流I_bias给激光器，从而使激光器的输出平均光功率不随温度变化而变化，而是始终保持在一个稳定的范围内。采用数字技术，实时进行温度监控，然后可以非常灵活的根据激光器的温度特性，进行偏置电流的温度补偿。

所述控制器单元由单片机组成，主要作用就是根据第一ADC单元（ADC1)输入的温度值和激光器的温度特性，输出一个随温度变化的数字的偏置电流设置值给下位的DAC单元。

所述激光器的温度特性用分段线性拟合法或查表法固化在所述控制器单元的单片机的存储模块中，比如说，将所述激光器的温度特性（包括偏置电流，调制电流，背光电流，输出功率，消光比和斜效率等随温度变化的关系）测试出来后绘制成上述参量的温度特性关系曲线，再根据一定的采样步进，对温度特性关系进行采样量化，最终建立量化后的温度特性关系表，并将该温度特性关系表存储在所述控制器单元的单片机中，工作时根据输入的温度值查询对应的偏置电流的设置值。

所述偏置电流控制单元，包括低通滤波器LPF、放大器、NPN三极管和限流保护电阻R_lim，其中低通滤波器LPF、放大器和NPN三极管的基极依次相连，所述NPN三极管的集电极与激光二极管相连，所述NPN三极管的发射极与限流保护电阻R_lim相连，所述限流保护电阻R_lim另一端头接地。工作时DAC将控制器单元的数字输出值，转换成模拟电流或电压，并经低通滤波器LPF和放大器调整后控制三极管的开关振荡管Q1，输出相应的偏置电流I_bias，为了避免激光器的偏置电流过大，R_lim起到限流作用，选择合适的R_lim值可以避免激光器因偏置电流过大而损坏。采用开环偏置电流控制电路降低激光器的偏置电流，避免因激光器在高温下斜效率降低而导致为了维持出光功率恒定，闭环APC电路不断增加电流而引起的内部功耗加大的风险。

开环温度补偿消光比控制电路，包括信号驱动单元和调制电流温度补偿单元，其中光模块的发端输入电信号经信号驱动单元的电流驱动后，输入到调制电流温度补偿单元进行调制信号的温度补偿，最后输出到激光器转换成光信号输出。

所述调制电流温度补偿单元，包括第一电阻R1和负温度系数电阻Rt,其中第一电阻R1和负温度系数电阻Rt并联后的两端头分别连接信号驱动单元和激光二极管的调制电流I_mod端；由于负温度系数电阻Rt的电阻值随着温度的升高而减小，从而使调制电流随温度上升而增大，这样调制电流I_mod得到温度补偿，使消光比在工作温度变化范围内保持稳定。使用中选用低功耗高速信号驱动电路和调制电流温度补偿电路，相对于复杂的专用激光器驱动器极大地减少驱动部分的功耗。

激光器系统参数监测电路，包括控制器单元，多个参数采集单元和对应的多个ADC单元或多路ADC单元，所述参数采集单元将采集到的系统参数经过对应的ADC单元转换为数字信号后输入到所述控制器单元中，所述控制器单元通过I²C总线将所述采集到的参数传输到上位主机中。

所述参数采集单元包括温度采集单元、偏置电流采集单元、背光电流采集单元、工作电压采集单元和收光功率采集单元。所述多个ADC单元包括第一ADC单元（ADC1）、第二ADC单元（ADC2）、第三ADC单元（ADC3）、第四ADC单元（ADC4）和第五ADC单元（ADC5），其中第一ADC单元（ADC1）、第二ADC单元（ADC2）、第三ADC单元（ADC3）、第四ADC单元（ADC4）和第五ADC单元（ADC5）的输入端分别与所述温度采集单元、偏置电流采集单元、背光电流采集单元、工作电压采集单元和收光功率采集单元相连。

作为一种优选，所述偏置电流采集单元的电路连接关系为：将所述第二ADC单元（ADC2）的输入端连接到偏置电流控制单元的发射极与限流保护电阻之间。这样偏置电流直接输入到第二ADC单元（ADC2）中，电路结构简单，数据准确可靠。

作为一种优选，所述背光电流采集单元电路连接关系为将所述第三ADC单元（ADC3）的输入端连接到背光光电二极管与电阻R_pd之间。这样背光电流直接输入到第三ADC单元（ADC3）中，电路结构简单，直接采集的电流数据准确可靠。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明采用数字开环温度补偿技术，极大地降低光模块的功耗，避免光模块长时间在高温条件性能劣化和故障的风险。同时本方案硬件简洁，相对集成的专用芯片方案成本低廉，生产简单易行，另外：

1、采用开环偏置电流控制电路降低激光器的偏置电流，避免因激光器在高温下斜效率降低而导致APC电路为了维持出光功率恒定而不断增加偏置电流，从而引起的功耗增加。

2、采用数字技术，实时进行温度监控，可以非常灵活的根据激光器的温度特性，进行偏置电流的温度补偿。

3、选择低功耗高速信号驱动电路和调制电流温度补偿电路，相对于复杂的专用激光器驱动器极大地减少驱动部分的功耗。

4、实时监控激光器的偏置电流大小，灵活地对偏置电流进行最大电流限制，避免电流过大损坏激光器。同时实时有效的监控了激光器的工作环境温度，背光电流值，工作电压及收光功率等重要参数，确保系统更加健康稳定的运行。

附图说明：

图1是光模块数字开环温度补偿系统框架图。

图2是偏置电流控制单元电路图。

图3是调制电流温度补偿电路图。

图4是激光器系统参数检测框架图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

本发明提供一种光模块激光器数字开环温度补偿系统，包括数字开环温度补偿功率控制电路，开环温度补偿消光比控制电路以及激光器系统参数监测电路；极大地降低光模块发射部分的功耗，避免激光器在高温环境下性能下降和故障发生。

其中数字开环温度补偿功率控制电路和开环温度补偿消光比控制电路的系统电路框图如图1所示，该系统包括三个部分，分别为温度补偿功率控制电路，温度补偿消光比控制电路和光信号收发单元TOSA；其中光信号收发单元TOSA包括激光二极管和背光光电二极管，所述激光二极管的反向端连接背光光电二极管的正向端，电源电压VCC接入所述激光二极管和背光光电二极管之间；所述光收发模块中的激光二极管正向端分别连接所述温度补偿功率控制电路和温度补偿消光比控制电路，该温度补偿功率控制电路和温度补偿消光比控制电路均为开环电路，其中功率控制电路的处理方式是数字式的；所述背光光电二极管的正向端连接电阻R_pd，所述电阻R_pd的另一端头接地，电阻R_pd起保护作用，可以避免背光电流过大而造成的电路原件损坏。

其中数字开环功率控制电路包括温度采集单元、第一模数转化单元ADC1、控制器单元、DAC单元和偏置电流控制单元，其中所述温度采集单元、ADC1、控制器单元、DAC单元和偏置电流控制单元依次连接；工作过程为：所述温度采集单元将采集到的激光器实时工作温度，以模拟信号的形式输入给ADC1，该信号经ADC1后转换成数字信号并传输到控制器单元中；所述控制器单元根据激光器的温度特性，输出一个相应的偏置电流的设置值，并将该设置值经DAC单元转换成模拟信号输入到偏置电流控制单元中；所述偏置电流控制单元把DAC输出的模拟信号调整后，输出一个大小随温度变化的偏置电流I_bias给激光器，从而使激光器的输出平均光功率不随温度变化而变化，而是始终保持在一个稳定的范围内。

所述控制器单元由单片机组成，主要作用就是根据第一ADC单元的温度值和激光器的温度特性，输出一个随温度变化的数字的偏置电流设置值给DAC单元。

所述激光器的温度特性用分段线性拟合或查表法固化在所述控制器单元的存储模块中，比如说，将所述激光器的温度特性（包括偏置电流，调制电流，背光电流，输出功率，消光比和斜效率等随温度变化的关系）测试出来后绘制成上述参量的温度特性关系曲线，再根据一定采样步进，对温度特性关系进行采样量化，最终建立量化后的温度特性表，并将该特性关系表存储在所述控制器单元的存储模块中，工作时根据温度值查询对应的偏置电流的设置值。

所述偏置电流控制单元内部的电路连接关系如图2所示，包括低通滤波器LPF,放大器,NPN三极管和限流保护电阻R_lim；其中低通滤波器LPF，放大器和NPN三极管的基极依次相连，所述NPN三极管的集电极与激光二极管相连，所述NPN三极管的发射极与限流保护电阻R_lim相连，所述限流保护电阻R_lim另一端头接地。工作时DAC将控制器单元的数字输出值，转换成模拟电流或电压，经低通滤波器滤除噪声信号后，再经过放大器对信号进行相应的放大处理，经上述过程调整后的信号输入到三极管的基极，控制三极管的开关振荡管Q1，使三级管输出相应的偏置电流I_bias，为了避免激光器的偏置电流I_bias过大，R_lim起到限流作用，选择合适的R_lim值可以避免激光器因偏置电流过大而损坏。

所述开环温度补偿消光比控制电路，包括信号驱动单元和调制电流温度补偿单元，所述调制电流温度补偿单元的电路连接关系如图3所示，包括第一电阻R1和负温度系数电阻Rt,其中第一电阻R1和负温度系数电阻Rt并联后的两端头分别连接信号驱动单元和激光二极管的调制电流I_mod端，工作时光模块的发端输入电信号，经信号驱动单元的电流驱动后，输入到调制电流温度补偿单元中进行调制信号的温度补偿，然后输出到激光器转换成光信号输出。负温度系数电阻Rt的电阻值随着温度的升高而减小，从而使调制电流随温度上升而增大，这样就使消光比在工作温度变化范围下保持稳定。

激光器系统参数监测电路，包括控制器单元，多个参数采集单元和对应的多个ADC单元或多路ADC单元，所述参数采集单元将采集到的系统参数经过对应的ADC单元转换为数字信号后，输入到所述控制器单元中，所述控制器单元通过I²C总线将采集到的所述参数传输到上位主机中。

所述激光器参数采集单元包括温度采集单元、偏置电流采集单元、背光电流采集单元、工作电压采集单元和收光功率采集单元。所述多个ADC单元包括第一ADC单元（ADC1）、第二ADC单元（ADC2）、第三ADC单元（ADC3）、第四ADC单元（ADC4）和第五ADC单元（ADC5），其中第一ADC单元（ADC1）、第二ADC单元（ADC2）、第三ADC单元（ADC3）、第四ADC单元（ADC4）和第五ADC单元（ADC5）的输入端分别与所述温度采集单元、偏置电流采集单元、背光电流采集单元、工作电压采集单元和收光功率采集单元相连。

激光器系统参数监测电路如图4所示，包括控制器单元、第一ADC单元(ADC1)、第二ADC单元(ADC2)、第三ADC单元(ADC3)、第四ADC单元(ADC4)、第五ADC单元(ADC5)、温度采集单元、偏置电流采集单元、背光电流采集单元、工作电压采集单元以及收光功率采集单元，上述的多个ADC单元也可以用多路ADC单元代替；其中第一ADC单元（ADC1）、第二ADC单元（ADC2）、第三ADC单元（ADC3）、第四ADC单元（ADC4）和第五ADC单元（ADC5）的输入端或多路ADC单元的输入端分别与所述温度采集单元、偏置电流采集单元、背光电流采集单元、工作电压采集单元和收光功率采集单元相连；上述第一ADC单元（ADC1）、第二ADC单元（ADC2）、第三ADC单元（ADC3）、第四ADC单元（ADC4）和第五ADC单元（ADC5）的输出端或多路ADC单元的输出端均与所述控制器单元相连，所述控制器单元通过I²C总线与上位主机相连。

所述各个参数采集单元将采集到的系统参数经过对应的ADC单元转换为数字信号后输入到所述控制器单元中，所述控制器单元通过I²C总线将采集到的所述参数传输到上位主机中。

所述偏置电流采集单元的电路连接关系为：将所述第二ADC单元（ADC2）的输入端连接到偏置电流控制单元的三极管发射极与限流保护电阻之间。这样偏置电流直接输入到第二ADC单元（ADC2）中，电路结构简单，数据准确可靠。所述背光电流采集单元电路连接关系为：将所述第三ADC单元（ADC3）的输入端连接到背光光电二极管与电阻Rpd之间。这样背光电流直接输入到第三ADC单元（ADC3）中，电路结构简单，数据准确可靠。

上述实施方式仅为本发明较佳实施方式，不应将此理解为本发明的主题范围，凡基于本发明内容的思想所实现的技术均属于本发明的范围。

Claims (3)

1.一种数字开环温度补偿功率控制电路，包括温度采集单元、第一ADC单元、控制器单元、DAC单元和偏置电流控制单元，其特征在于：所述温度采集单元、第一ADC单元、控制器单元、DAC单元和偏置电流控制单元依次连接；其中所述温度采集单元将采集到的环境实时温度值经第一ADC单元转换为数字信号后传输到控制器单元中，所述控制器单元根据环境温度值输出一个偏置电流的设置值并将该设置值通过DAC单元转换成模拟信号后输入到偏置电流控制单元中；

所述偏置电流控制单元，包括低通滤波器LPF、放大器、NPN三极管和限流保护电阻R_lim，其中所述低通滤波器LPF、放大器和NPN三极管的基极依次相连，所述NPN三极管的集电极与激光二极管相连，所述NPN三极管的发射极与限流保护电阻R_lim相连，所述限流保护电阻另一端头接地。

2.如权利要求1所述的一种数字开环温度补偿功率控制电路，其特征在于：所述控制器单元由单片机组成；用于存储激光器的温度特性数据，并根据第一ADC单元输入的温度值和激光器的温度特性，输出一个随温度变化的数字的偏置电流的设置值给下位的DAC单元。

3.如权利要求2所述的一种数字开环温度补偿功率控制电路，其特征在于：所述激光器的温度特性数据用分段线性拟合或查表法固化在所述控制器单元的单片机中。