CN106209255A - 光模块及其激光器偏置电路功率控制方法 - Google Patents

光模块及其激光器偏置电路功率控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光通信技术领域，具体的，涉及一种光模块。所述光模块，包括有激光器、MCU和用于给该激光器提供偏置电流的偏置电路；所述偏置电路包括有第一开关管、第二开关管、第一电感和第一电容，其中所述第一开关管，其漏极电连接所述第二开关管的漏极，其源极电连接电压输入端，且该漏极连接所述第一电感的第一端；所述第一电感，其另一端连接所述激光器的输入端；所述第一电容，其一端连接所述第一电感的另一端，其另一端接地；所述第二开关管，其源极接地；所述MCU，分别电连接所述第一开关管和第二开关管的源极。本方案中通过电源转化效率高且功耗低的偏置电路为光模块中激光器供电，能降低光模块的功耗。

Description

光模块及其激光器偏置电路功率控制方法
【技术领域】
本发明涉及光通信技术领域，具体的，涉及一种光模块。
【背景技术】
光模块是一种实现光-电转换和电-光转换的有源光电子器件，是光通信设备的重要功能模块。在光通信长距离传输时，由于长距离的光纤有较大的光功率传输损耗，通常要求光模块具有较大的光功率输出，例如IEEE802.3ae协议要求以太网SFP+80km光模块的发射功率为0～4dBm，因此要求光模块的功率损耗尽可能的降低。
现有光模块通常采用外调制激光器，例如使用较为普遍的EMI(Electroabsorption Modulated Laser,电吸收调制镭射)激光器，而现有的LD(laserdiode，激光器)采用线性电源为其提供偏置电流，请参见附图1，通过MCU控制恒流源来实现对偏置电流的设置，由于LD采用恒流驱动方式，使得输入电流Icc和输出电流Ibias相同，而加载在LD上的前向电压VF一般远小于光模块工作电压VCC，即该恒流源的功耗(VCC)消耗在其内部的晶体管电路和其他电路上，因此为所述光模块的激光器提供偏置电流的恒流源电源转化效率低，导致光模块的功耗大，难以满足实际应用中对光模块低功耗的要求。
【发明内容】
本发明的目的旨在解决上述为光模块的激光器提供偏置电流的恒流源电源转化效率低的问题，提供一种功耗低的光模块，相应的，还提供了一种光模块激光器偏置电路功率控制方法。
为实现该目的，本发明采用如下技术方案：
本方案提供了一种光模块，其包括有激光器、MCU和用于给该激光器提供偏置电流的偏置电路；
所述偏置电路包括有第一开关管、第二开关管、第一电感和第一电容，
其中所述第一开关管，其漏极电连接所述第二开关管的漏极，其源极电连接电压输入端，且该漏极连接所述第一电感的第一端；
所述第一电感，其另一端连接所述激光器的输入端，用于向所述激光器输入偏置电流；
所述第一电容，其一端连接所述第一电感的另一端，其另一端接地；
所述第二开关管，其源极接地，用于在第一开关管关断时，为所述第一电感和第一电容提供电能释放回路；
所述MCU，分别电连接所述第一开关管和第二开关管的源极，用于提供驱动信号以驱动该第一开关管和第二开关管的通断。
本方案还提供了一种光模块激光器偏置电路功率控制方法，其包括步骤：
输入电压经过光模块中偏置电路后输出偏置电流；
MCU向所述偏置电路的第一开关管、第二开关管分别输入驱动信号，以调节所述偏置电流的大小，该偏置电流用于为激光器供电；
其中所述光模块为前面任一所述的光模块。
与现有技术相比，本发明具备如下优点：
本方案中的一种光模块，包括有激光器、MCU和用于给该激光器提供偏置电流的偏置电路，且所述MCU电连接该偏置电路中的第一开关管和第二开关管的源极，用于提供驱动信号以驱动该第一开关管和第二开关管的通断，进而调节该偏置电路输出的偏置电流的大小；即本方案中通过电源转化效率高且功耗低的偏置电路为光模块中激光器供电，替代传统电源转换效率低的线性电源，能降低光模块的功耗。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本方案的实施例了解到。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，但本发明不限于此。
图1为现有技术光模块中为激光器提供偏置电流的电路结构示意图；
图2为本发明一种光模块的一个实施例中的结构示意图；
图3为本发明中的一个实施例中第一开关管和第二开关管中的电流变化示意图；
图4为本发明中一种光模块激光器偏置电路功率控制方法的一个实施例的流程图。
【具体实施方式】
下面结合附图和示例性实施例对本发明作进一步地描述，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。此外，如果已知技术的详细描述对于示出本发明的特征是不必要的，则将其省略。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
下文详细说明本方案的具体实施方式。
具体的，请参见附图2，为本方案所述的光模块。在电压输入端Vcc上电之后，经过第二电感L1和第二电容C1的储能、滤波作用后，输入到所述偏置电路S10，所述电压输入端Vcc所输入的电压经过该偏置电路S10的降压后输出为其后端电连接的激光器供电的偏置电流。
进一步的，在所述偏置电路S10与激光器之间，还电连接有用于检测偏置电流的电流检测单元S11、用于对偏置电路输出的电压进行滤波的输出滤波单元S12、以及用于检测输入激光器电压的电压检测单元S13。进一步的，本方案中光模块还包括有MCU。
具体的，所述偏置电路S10包括有第一开关管Q1、第二开光管Q2、第一电感L2和第一电容C2。其中所述第一开关管Q1的漏极电连接所述第二开关管Q2的漏极、且该漏极还电连接有第一电感L2的第一端；第一开关管Q1的源极电连接所述第二电感L1的一端；第一开关管Q1的栅极电连接MCU的脉宽调制信号PWM的输出端PWM1。所述第二开关管Q2的源极接地，用于在第一开关管Q1关断时，为所述第一电感L2和第一电容C2提供电能释放回路；所述第二开关管Q2的栅极电连接MCU的PWM信号的输出端PWM2。所述第一电感L2，其另一端连接所述激光器的输入端，用于向所述激光器输入偏置电流；所述第一电容C2，其一端电连接所述第一电感L2的另一端，第一电容C2另一端接地。且在本方案的一个示例性实施例中，所述第一开关管Q1和第二开关管Q2均为场效应管。
具体的，所述电流检测单元S11包括有串接在第一电感L2的另一端与输出滤波单元S12之间的第一采样电阻R3，及并联在第一采样电阻R3两端的放大器OPA1，其中所述放大器OPA1的输出端电连接所述MCU的BIAS_ADC引脚，用于通过该MCU检测该放大器OPA1所输出的电压大小，进而判断出第一采样电阻R3上的偏置电流的大小。在本方案的一个示例性实施例中，所述放大器OPA1为减法放大电路，其包括有串接在第一采样电阻R3与放大器OPA1的第一输入端之间的电阻R4、串接在该第一输入端与放大器OPA1的输出端之间的电阻R6、串接在该第一采样电阻R3与放大器OPA1的第二输入端之间的电阻R5、串接在该第二输入端与地之间的电阻R7。
具体的，所述输出滤波单元S12电连接在所述偏置电路与激光器之间，用于对所述偏置电路S10所输出的电压进行滤波。具体的，所述输出滤波单元S12包括有串接在第一采样电阻R3与所述电压检测单元S13之间的磁珠FB1和磁珠FB2，以及连接在第一采样电阻R3与地之间的第三电容C3。且在本方案的一个示例性实施例中，所述磁珠FB1和磁珠FB2为铁氧体磁珠。利用磁珠FB1、FB2与第三电容C3组成输出滤波单元S12，不仅能滤除杂散波，还能吸收杂散的电磁辐射。
具体的，所述电压检测单元S13，包括有串接在所述激光器的输入端与地之间的第二采样电阻R8和第三采样电阻R9，且所述第二采样电阻R8和第三采样电阻R9的公共连接端接入所述MCU的VLD_ADC引脚，用于通过该MCU检测输入到所述激光器的电压大小。
进一步的，本方案所述的偏置电路S10中还包括有第一电阻R1和第二电阻R2，其中所述第一电阻R1，串接在所述第一开关管Q1的栅极与源极之间，用于设定该第一开关管Q1的初始通断状态；所述第二电阻R2，串接在所述第二开关管Q2的栅极与源极之间，用于设定该第二开关管Q2的初始通断状态。具体的，在本方案电压输入端Vcc上电后，在MCU初始化之前，通过第一电阻R1和第二电阻R2来分别限制MCU中PWM1、PWM2的初始电平状态，即该PWM1的初始逻辑电平为高，相应的第一开关管Q1的初始状态为截止；该PWM2的初始逻辑电平为低，相应的第二开关管Q2的初始状态也为截止；则从偏置电路S10输出到激光器的电压VLD也为0，即激光器为无光状态。该方案有效的保证了在光模块上电初始阶段，激光器不工作，保证了激光器不会被上电时产生的过电压或过电流损坏。
具体的，下文结合附图2和附图3简述该光模块的工作过程及原理。当光模块中电压输入端Vcc上电后，输入电流经过第二电感L1和第二电容C1的滤波、储能，其中在具体设计该光模块时，为了达到好的滤波和储能效果，所述第一电容C1的值由该偏置电路S10的工作频率、需要输出的偏置电流、各元器件的耐压值及输入纹波大小来决定；相应的，所述第二电感L1的值也是由该偏置电路S10的工作频率、需要输出偏置电流、以及输入纹波来决定，且应选用输出电流大且寄生电阻较小的电感作为所述第二电感L1，不难理解，高感值的第二电感L1能抑制偏置电路S10中的开关噪声。
进一步的，输入电流经过第二电感L1和第二电容C1后，输入到偏置电路S10中，其中第一开关管Q1在该电路中起到开关的作用，第二开关管Q2在该电路中起续流的作用。在MCU上电并初始化后，向所述第一开关管Q1输入低电平的PWM信号、向所述第二开关管Q2输入低电平的PWM信号，使得第一开关管Q1导通、第二开关管Q2截止，则电流经过第一电感L2的储能和滤波后，通过电流检测单元S11的第一采样电阻R3、输出滤波单元S12的磁珠FB1和磁珠FB2后，为所述激光器提供偏置电流；且经过第一电感L2之后的有一部分电荷会在所述第一电容C2上存储。
进一步的，当MCU向所述第一开关管Q1输入高电平的PWM信号、向所述第二开关管Q2输入高电平的PWM信号后，第一开关管Q1截止、而第二开关管Q2导通，则从第一电感L2存储的能量一部分经过第一电容C2，一部分通过电流检测单元S11的第一采样电阻R3、输出滤波单元S12的磁珠FB1和磁珠FB2后，为所述激光器提供偏置电流。
具体的，请参见附图3，在第二开关管Q2导通瞬间，第一电感L2上的瞬间电流为t1深刻的IQ1；当第一开关管Q1再次导通、第二开关管Q2截止时，电能再次从光模块中电压输入端Vcc获得，且在第一开关管Q1导通的瞬间，第一电感L2上的瞬间电流为t2时刻的IQ2；其中时间轴上的0～t1段为第一开关管Q1的导通时间，时间轴上的t1～t2段为第二开关管Q2的导通时间，相应的，所述第一开关管Q1的导通周期D＝t1/t2，第二开关管Q2的导通周期为1-D＝(t2-t1)/t2；图示中VD为第一电容C2两端的电压，VLD是为激光器供电的电压。
进一步的，为了进一步降低该光模块的功耗，所述电流检测电路S11中第一采样电阻R3应采用尽可能小的阻值，即尽可能降低该第一采样电阻R3上消耗的功耗；但是由于该第一采样电阻R3的阻值小，如果直接采用MCU采样会导致电流检测精度差，因此需要通过放大器OPA1对该第一采样电阻R3两端的电压进一步放大，再输入到MCU进行检测。在本方案的一个示例性实施例中，所述放大器OPA1选用减法放大器，即R6＝R7、R4＝R5；MCU再通过该放大器OPA1所检测到的第一采样电阻R3两端的电压，计算出该第一采样电阻R3上的偏置电流大小。
进一步的，本方案中，可以通过MCU来调整输入到所述第一开关管Q1和第二开关管Q2上的PWM驱动信号的占空比，进而来调整为激光器供电的偏置电流Ibias的大小，其中对该偏置电流Ibias调节的精度可以由该PWM驱动信号的频率和精度来控制。在本方案的一个示例性实施例中，为了保证为激光器供电的偏置电流Ibias的调节精度，采用工作频率为1MHZ、12bit精度的PWM驱动信号。
进一步的，本方案中，为了提高该光模块的可靠性，该光模块具有过压保护功能及过流保护功能。具体的，在MCU中预设有激光器的最大工作电压参考值及最大工作电流参考值。通过MCU不断检测电流检测单元S11和电压检测单元S13所反馈的输入到激光器的偏置电流Ibias及电压VLD,然后将该偏置电流Ibias与最大工作电流参考值比较、电压VLD与最大工作电压参考值进行比较，如果该偏置电流Ibias或该电压VLD任意一个大于该预设的参考值，则MCU发出告警信号，并控制输入到第一开关管Q1和第二开关管Q2中的PWM驱动信号，以调节所述偏置电路S10中输入到激光器的偏置电流Ibias的大小，实现过压保护及过流保护。
进一步的，请参见附图4，本方案还提供了一种激光器偏置电路功率控制方法，其包括步骤：
S11，输入电压经过光模块中偏置电路后输出偏置电流；
S12，MCU向所述偏置电路的第一开关管、第二开关管分别输入第一驱动信号及第二驱动信号，以调节所述偏置电流的大小，该偏置电流用于为激光器供电；
其中所述光模块为前文任一所述的光模块。
具体的，光模块中电压输入端Vcc上电后，输入电流经过第二电感L1和第二电容C1的滤波、储能，输入到偏置电路S10中，其中第一开关管Q1在该电路中起到开关的作用，第二开关管Q2在该电路中起续流的作用。在MCU上电并初始化后，向所述第一开关管Q1输入低电平的PWM信号、向所述第二开关管Q2输入低电平的PWM信号，使得第一开关管Q1导通、第二开关管Q2截止，则电流经过第一电感L2的储能和滤波后，通过电流检测单元S11的第一采样电阻R3、输出滤波单元S12的磁珠FB1和磁珠FB2后，为所述激光器提供偏置电流；且经过第一电感L2之后的有一部分电荷会在所述第一电容C2上存储。
进一步的，当MCU向所述第一开关管Q1输入高电平的PWM信号、向所述第二开关管Q2输入高电平的PWM信号后，第一开关管Q1截止、而第二开关管Q2导通，则从第一电感L2存储的能量一部分经过第一电容C2，一部分通过电流检测单元S11的第一采样电阻R3、输出滤波单元S12的磁珠FB1和磁珠FB2后，为所述激光器提供偏置电流。
进一步的，可以通过MCU来调整输入到所述第一开关管Q1和第二开关管Q2上的PWM驱动信号的占空比，进而来调整为激光器供电的偏置电流的大小，其中对该偏置电流调节的精度可以由该PWM驱动信号的频率和精度来控制。在本方案的一个示例性实施例中，为了保证为激光器供电的偏置电流的调节精度，采用工作频率为1MHZ、12bit精度的PWM驱动信号。
进一步的，为了防止激光器中偏置电流过冲而引起的光模块功率过冲的问题，所述MCU发出的PWM驱动信号并不是在初始化时直接设置为目标占空比值，而是所述MCU分多个时间段调节所述PWM驱动信号的占空比，且不同时间段所对应的占空比的变化率不同。具体的，在本方案的一个示例性实施例中，所述PWM驱动信号的初值为0，PWM驱动信号的目标占空比为A。在MCU开启后，所述PWM驱动信号的占空比从0慢慢升至目标占空比A。在本示例性实施例中，该PWM驱动信号的值可以分为三个不同的变化率来增加。在1～A/2段，该PWM驱动信号的占空比增加的变化率曲线所对应的斜率是K1；在A/2～3A/4段，该PWM驱动信号的占空比增加的变化率曲线所对应的斜率是K2；在3A/4～A段，该PWM驱动信号的占空比增加的变化率曲线所对应的斜率是K3；其中K1>K2>K3，即PWM驱动信号的值越接近目标占空比A，变化率越小，这样可避免了偏置电流过冲而导致光模块开启时的功率过冲的问题。
本方案中的一种光模块，包括有激光器、MCU和用于给该激光器提供偏置电流的偏置电路，且所述MCU电连接该偏置电路中的第一开关管和第二开关管的源极，用于提供驱动信号以驱动该第一开关管和第二开关管的通断，进而调节该偏置电路输出的偏置电流的大小；即本方案中通过电源转化效率高且功耗低的偏置电路为光模块中激光器供电，替代传统电源转换效率低的线性电源，能降低光模块的功耗。
在此处所提供的说明书中，虽然说明了大量的具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实施例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
虽然上面已经示出了本发明的一些示例性实施例，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的原理或精神的情况下，可以对这些示例性实施例做出改变，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种光模块，其特征在于：包括有激光器、MCU和用于给该激光器提供偏置电流的偏置电路；
所述偏置电路包括有第一开关管、第二开关管、第一电感和第一电容，
其中所述第一开关管，其漏极电连接所述第二开关管的漏极，其源极电连接电压输入端，且该漏极连接所述第一电感的第一端；
所述第一电感，其另一端连接所述激光器的输入端，用于向所述激光器输入偏置电流；
所述第一电容，其一端连接所述第一电感的另一端，其另一端接地；
所述第二开关管，其源极接地，用于在第一开关管关断时，为所述第一电感和第一电容提供电能释放回路；
所述MCU，分别电连接所述第一开关管和第二开关管的源极，用于提供驱动信号以驱动该第一开关管和第二开关管的通断。
2.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于：所述偏置电路还包括有第一电阻和第二电阻；
其中所述第一电阻，串接在所述第一开关管的栅极和源极之间，用于设定该第一开关管的初始通断状态；
所述第二电阻，串接在所述第二开关管的栅极和源极之间，用于设定该第二开关管的初始通断状态。
3.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于：还包括有电流检测单元，
所述电流检测单元包括有串接在第一电感的另一端的第一采样电阻、及并联在所述第一采样电阻两端的放大器，
所述放大器，其输出端电连接所述MCU,用于通过该MCU检测所述第一电感上输出的所述偏置电流的大小。
4.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于：还包括有电压检测单元，
所述电压检测单元包括有串接在所述激光器的输入端与地之间的第二采样电阻和第三采样电阻，且所述第二采样电阻和第三采样电阻的公共连接端接入所述MCU，用于通过该MCU检测输入到所述激光器的电压大小。
5.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于：还包括有输出滤波单元，所述输出滤波单元电连接在所述偏置电路与激光器之间，用于对所述偏置电路输出的电压进行滤波。
6.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于：所述驱动信号是脉宽调制信号。
7.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于：所述第一开关管和第二开关管均为场效应管。
8.一种光模块激光器偏置电路功率控制方法，其特征在于，包括步骤：
输入电压经过光模块中偏置电路后输出偏置电流；
MCU向所述偏置电路的第一开关管、第二开关管分别输入驱动信号，以调节所述偏置电流的大小，该偏置电流用于为激光器供电；
其中所述光模块为权利要求1至7中任一所述的光模块。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述MCU通过调节所述驱动信号的占空比，来调节所述偏置电路输出的偏置电流的大小。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述MCU分多个时间段调节所述驱动信号的占空比，且不同时间段所对应的占空比的变化率不同。
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