CN106257777B - 用于高速激光器二极管的驱动器 - Google Patents

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Abstract

本文描述了激光器驱动器的不同的实施例。在实施例中，激光器驱动器系统包括：一组外部电感器，其包括第一外部电感器和第二外部电感器；一组内部电感器，其包括第一内部电感器和第二内部电感器；DC‑到‑DC转换器，其被配置为偏置由所述第一外部电感器和所述第一内部电感器限定的第一输出路径以及由所述第二外部电感器和所述第二内部电感器限定的第二输出路径。

Description

用于高速激光器二极管的驱动器
相关申请的交叉引用
本申请主张根据35U.S.C§119(e)要求享有于2015年6月22日提交的题为“用于高速激光器二极管的驱动器”的美国临时申请No.62/183010的优先权，在此通过引用将其全部内容并入本文。
背景技术
对激光驱动方案的选择极大地影响高速光学模块的竞争力，包括光学性能、模块功率消耗、通道密度以及解决方案成本。从电路设计的角度来看，针对驱动电流的快速信号转换，差分驱动器输出级是优选的。一个潜在的预先条件是两个输出的共模水平应当相似以形成对称的推拉结构。共享共模水平的另一优点在于受抑制的电磁辐射，避免对系统接收器的干扰。
现有的差分驱动架构依赖于将驱动器的差分输出AC-耦合到发射器光学子组件(TOSA)的激光器阳极和阴极。外部电感器通常需要向两个驱动器输出提供偏置，并且向激光器提供偏置电流。与电感器并联的外部电阻器常常发现是必要的，以避免激光器电流中的可能过冲和振铃。这导致用于单个发射器组件的十个或以上的外部部件数量。在不关注驱动器余量(headroom)的情况下，AC耦合的驱动器-激光器接口使得能够将激光器阳极偏置到与激光器前向电压接近的电压。这有助于降低整体发射器功率消耗。然而，使用这些外部部件的负面影响是对于PCB组件可能要求大的模块板空间，这对于设计多通道光学模块是巨大的挑战。也发现难以管理由来自这些外部部件和组件的寄生而引入的对高速发射器性能的影响。
一种备选的激光器驱动器实践是将驱动器以芯片形式直接组装到激光器，常常被称为内部驱动。由于其被DC耦合的特性，这种方法避免了在AC耦合接口中所表现出的缺点。但是，由于在这种情况下驱动器非常接近激光器，由驱动器生成的热将提高激光器的运行温度，需要更高的激光器偏置电流和调制电流以补偿激光器阈值增加和斜率效率降低，最终使模块功率消耗退化。另外，这样的组件与常规的激光器封装技术不相符，例如，基于晶体管轮廓(TO)的TOSA。由于其使用可能导致增加TOSA组装成品率和组装线生产率中的潜在风险的多个丝焊(wire bond)，这会增加解决方案成本。
发明内容
在本公开的实施例中，激光器驱动器系统能够包括：一组外部电感器，其包括第一外部电感器和第二外部电感器；一组内部电感器，其包括第一内部电感器和第二内部电感器；DC-到-DC转换器，其被配置为偏置由所述第一外部电感器和所述第一内部电感器限定的第一输出路径以及由所述第二外部电感器和所述第二内部电感器限定的第二输出路径。所述第一输出路径能够被耦合到的发射器光学子组件(TOSA)的第一输入端，并且所述第二输出路径能够被耦合到的TOSA的第二输入端。TOSA的第一输入端能够馈送到第一输入路径中，所述第一输入路径包括位于激光器二极管之前的第一电感器和位于激光器二极管之后的第二电感器。TOSA的第二输入端能够馈送到第二输入路径中，所述第二输入路径包括被耦合到所述第二电感器的电阻器。所述第二输入路径还能够包括位于所述电阻器之前的外部电容器或内部电容器。所述激光器驱动器系统架构能够允许精简的一组外部部件以及低的阻抗驱动路径以改善光学性能和效率。
该发明内容以简要的形式介绍了对概念的选择，其将在下文在具体实施例方式中进一步描述。该发明内容不旨在标识所要求的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求的主题的范围。
附图说明
参考附图描述了详细说明。在说明书和附图中的不同示例中使用相同的附图标记号可以指示相同或相似的项。
图1A是图示了根据本公开的实施例的激光器驱动器架构的电路示意图。
图1B是图示了常规激光器驱动器架构的电路示意图。
图2是图示了根据本公开的实施例的激光器驱动器架构的电路示意图，其中，图示了当差分输入为高时的电流流动。
图3是图示了根据本公开的实施例的激光器驱动器架构的电路示意图，其中，图示了当差分输入为低时的电流流动。
图4是图示了根据本公开的实施例的激光器驱动器架构的电路示意图，其中，驱动器输出和激光器输入被能互换的连接，并且其中，图示了当差分输入为高时的电流流动。
图5是图示了根据本公开的实施例的激光器驱动器架构的电路示意图，其中，驱动器输出端和激光器输入端被能互换的连接，并且其中，图示了当差分输入为低时的电流流动。
图6图示了能够被用于实施本文所描述的激光器驱动器架构(例如，图1A、2、3、4和5中所示出的实施例)的TOSA(例如，基于TO的TOSA)头部的实施例。
图7是图示了具有接地监测二极管阳极和一个TO引脚以通过外部电感器偏置激光器二极管的TOSA(例如，基于TO的TOSA)的实施例。
图8图示了能够被用于实施本文所描述的激光器驱动器架构(例如，图1A、2、3、4和5中示出的实施例)的TOSA(例如，基于TO的TOSA)头部的实施例，其中，TOSA具有接地监测二极管阳极。
具体实施例
概览
图1A到图8图示了激光器驱动器和发射器组件架构的不同实施例，其展示了常规AC耦合的激光器驱动器系统的优点，并且，然而，所公开的激光器驱动器架构能够利用一组精简的外部部件来实施。在这一点上，所公开的激光器驱动器和发射器组件也展示了DC耦合的激光器驱动器系统的一些优点，无需牺牲光学系统的性能或效率。
所公开的激光器驱动器架构的一些特征和优点包括：在激光器驱动器与TOSA之间的高速路径上的一组精简的离散部件，导致经改善的信号完整性以及降低的模块部件数量；驱动器输出级处在全差分模式以获得良好的RF性能；驱动器具有单端的反向终端以帮助降低电磁干扰(EMI)；驱动器输出级能够被偏置到较低的电压以节省发射器(TX)功率；架构适用于激光极性(即，在两个驱动器输出与TOSA高速终端之间能互换)；能够在TOSA中组装一个或多个电感器；并且应用并不限于基于TO的TOSA(即，能够使用其他高性能的TOSA)。
范例实施方式
图1A示出了根据本公开的实施例的激光器驱动器系统。光发射器(例如，激光器)能够包括激光器驱动器(驱动器)和发射器光学子组件(TOSA)，以及相对少量的离散部件。在驱动器的IN+与IN-引脚处的差分输入信号被施加到晶体管差分对(T1和T2)，与生成恒定电流I1的电路相耦合。差分输出(OUTA和OUTB)用于驱动所述激光器。两个片上电感器(LA和LB)和两个外部电感器或铁氧体磁珠(L1和L2)用于对驱动器输出进行偏置，同时也为激光器偏置电流提供路径。片上电感器LA和LB能够降低由被连接到调制输出端中的每个的第二引脚(PA或PB)引入的差分输出的电容负载，同时外部电感器或铁氧体磁珠提供足够低的低频截止以使得所述发射器为具有长连续相同数字(CID)的输入信号提供合适的性能。T1和T2的集电极被偏置到相同的电压以实现针对差分对的最优的操作。生成恒定电流的片上电路(电流源I)通过L1和L2被耦合到差分对的集电极上。平均功率控制(APC)电路调节I的值以便TOSA监测电流达到预定值。两个电阻器(RA和RB)提供反向终端以吸收在驱动器输出端处的反射。所述电阻器被连接到一个外部电容器(C1)以提供良好的共模终端从而帮助使电磁干扰(EMI)最小化。
在一些实施例中，基于TO或者使用混合的基底，将包括激光器二极管(LD)和监测二极管(MD)的TOSA组装在高速封装中。图1A示出了这种具有5个引脚的封装：具有被控制用于驱动激光器的阻抗的LD+和LD-高速引脚；用于监测二极管连接的MD+和MD-引脚；以及在TOSA情况中被用作AC接地的GND引脚。LW1和LW2呈现为来自组件的丝焊电感。LW2，连同被组装在TOSA的内部的离散电感器LT，为激光器偏置电流提供路径，并且与高速信号的隔离。高速信号路径中的一个串联电阻器(RT)能够在TOSA中以这样的方式实施，使得RT与激光器等效阻抗的组合阻抗与传输线的阻抗紧密匹配。这能够潜在地降低来自TOSA的信号反射。
当这样的激光器驱动器和TOSA被连接到一起时，在驱动器输出端与TOSA之间的高速轨迹上仅需要一个电容器(C2)，消除了对在驱动器输出端以及激光器阳极和阴极节点处的上拉和下拉部件的需要。
当电路达到其平衡模式时，作为到TOSA的连接的结果，在驱动器的PA引脚与PB引脚之间共享电流为I(IBIAS+(1+k)·IMOD)，并分别维持在
Figure BSA0000132587470000057
和
Figure BSA0000132587470000058
K(在0与1之间)是相对于TOSA负载的取决于反向终端电阻器(RA和RB)的值的分流比。当反向终端阻抗无穷大时，k＝0；当RA和RB与TOSAAC负载匹配时，k＝1。激光器偏置电流(IBIAS)流动通过内部电感器LA，被递送至与OUTA引脚相连的TOSA LD+终端。由于在TOSA LD-引脚处的C2的存在，偏置电流(IBIAS)通过TOSA内部电感器LT返回到地。
图2图示了当差分输入为高时(例如，光学输出为“1”)，流动通过系统的电流。当差分输入信号为高时(T1断开，并且T2接通)，在LA分支中的具有幅度
Figure BSA0000132587470000052
的AC分量从OUTA引脚流出，流入到TOSA的LD+引脚中。通过激光器的总电流是
Figure BSA0000132587470000053
因此，激光器输出处于其光学高电平处。由于包含LW2和LT的分支的高AC阻抗性质，该AC分量从TOSA的LD-引脚流出，通过外部电容器C2回到OUTB引脚中。由于T1处在其断开状态，AC电流
Figure BSA0000132587470000054
流动通过RA和RB。如由装置(I1)在差分对处的设置，与来自LB分支的电流
Figure BSA0000132587470000055
阳组合，通过T2的总电流是(1+k)·IMOD)。
图3图示了当差分输入为低时(例如，光学输出为“0”)，流动通过系统的电流。当输入信号处在逻辑低时，来自LB分支的等效AC电流
Figure BSA0000132587470000056
从驱动器的OUTB引脚流出，通过AC耦合电容器C2和激光器回路返回到OUTA引脚。到激光器的总电流变为
Figure BSA0000132587470000061
因此，激光器输出处于其光学低电平处。由于T2处于其断开状态，AC电流
Figure BSA0000132587470000062
流动通过RB和RA。如由装置(I1)在差分对处的设置，与来自LA分支的AC电流
Figure BSA0000132587470000063
相组合，通过T1的总电流是(1+k)·IMOD)。
应当注意，差分晶体管T1和T2二者的集电极均被偏置到相同的电压，因此，输出级工作在全差分模式下，以用于改善高速性能和EMI控制。由于TOSA匹配电阻器RT不在激光器偏置回路中，其降低了TOSA高频反射，而无需牺牲额外的发射器功率消耗和驱动器余量。在LD+引脚处的共模电压，其与在驱动器输出端处的相同，是一种激光器前向电压或者略微更高，这会为用于驱动器输出级留出足够的空间以恰当地工作而没有不足够的余量的风险。
在VDR引脚处供应给电流生成设备(I)的电压(V)仅需要高于激光器前向电压的亚伏特(sub-volt)，以在考虑电感器上的压降时保证当前电流源恰当地操作。该电压可能低于Vcc(例如，+3.3V)，以降低整个模块的功耗。在实施例中，供应给VDR/IDR的电压或电流源包括或者与由自动功率控制(APC)电路控制的DC-到-DC转换器相耦合，以使得偏置电压被维持在需要的水平以驱动进入激光器二极管的阳极的感应路径。例如，在美国专利No.8571079中描述了相似的DC-到-DC转换电路，在此通过引用将其全部内容并入本文。
在一些实施例中，在驱动器与TOSA之间的高速路径中仅有一个电容器(C2)，导致针对发射器的非常容易的设计和布局，并且使破坏信号完整性的风险最小化。能够做出折衷，为反向终端电阻器(RA和RB)选择适当的值，以降低损耗-到-调制电流，同时仍保持对TOSA反射的合理吸收。
图1A总结了所公开的激光器驱动器架构的一些结构特征，其与常规激光器驱动器(图1B，由部分1、2和3所标识的)不同。例如，区别包括：(1)在激光器驱动器输出端与TOSA输入端之间的部件(例如，电阻器和电容器)的减少。这提供了具有更小的阻抗的更直接的路径，以提高功率传输效率。另外，(2)TOSA的输入路径能够被系连到TOSA的偏置接地端，并且(3)所述电路能够通过DC-到-DC转换电路输出端(IDR)从顶端被偏置和驱动。这些组合特征提供了低成本、小轮廓的激光器驱动器电路，其中，所述整体架构和精简数量的部件使得实现了通过电路的有效且高速的功率传输，以驱动TOSA激光器二极管。
在实施例中，激光器驱动器还适用于TOSA极化。图4和图5描绘了当调换驱动器输出端(OUTA和OUTB)与激光器输入端(LD+和LD-)之间的连接时，激光器偏置电流和调制电流如何在驱动器与TOSA之间流动。应当注意，电路适用于TOSA连接。两个输出引脚中的每个均能够驱动TOSA阳极引脚或阴极引脚。该特征专门用于多通道模块设计，其中，TOSA极化可能逐通道地变换。图4图示了当差分输入为高时(例如，光学输出为“0”)通过系统的电流，并且图5图示了当差分输入为低时(例如，光学输出为“1”)通过系统的电流。
本文引入的激光器驱动器架构具有装配在激光器阴极附近的电感器元件。对于广泛使用的5引脚的基于TO的TOSA，TOSA内部的电感器(LT)能够被仔细地选择以提供足够高的频率隔离和低频截止，因此，其能够被终结到TO头部中的接地。图6示出了在TO头部上的实施方式，其中，图示了具有内部偏置电感器的5引脚的基于TO的TOSA的范例。在另一实施例中，监测二极管阳极(MD+)能够被接地以节省用于BIAS(偏置)的一个引脚。图7和图8分别示出了电路示意图和5引脚的基于TO的TOSA组件的范例，其中，监测二极管阳极被接地并且激光器阴极从BIAS引脚和外部电感器L3进行偏置。
在实施例中，通过将离散的电容器C2整合到TOSA中，激光器驱动器架构能够被进一步简化。例如，组件能够包括处置激光器底座上的激光器芯片下面的晶片盖，或仅仅是一系列的电容器。
应当注意，此处论述的激光器驱动器架构不限于基于TO的组件。所述激光器驱动器架构能够被用在其他应用中，其中，高性能、高密度以及低功率对于光学模块而言关键的。
此外，还应当理解，本发明是由所附的权利要求限定的。尽管已经图示说明了本发明的实施例，但是本领域技术人员显然能够在不脱离本发明公开的范围和精神的情况下做出各种修改。

Claims (20)

1.一种用于驱动发射器光学子组件的系统，包括：
驱动器芯片，其包括：
第一差分输入信号引脚和第二差分输入信号引脚；
第一差分晶体管和第二差分晶体管，所述第一差分输入信号引脚和所述第二差分输入信号引脚分别电耦合到所述第一差分晶体管的第一基极和所述第二差分晶体管的第二基极；
第一电流源，所述第一差分晶体管的第一发射极和所述第二差分晶体管的第二发射极电耦合到所述第一电流源并且通过所述第一电流源接地；
第一信号输出引脚和第二信号输出引脚，分别电耦合到所述第一差分晶体管的第一集电极和所述第二差分晶体管的第二集电极；
第一内部电感器和第二内部电感器，分别电耦合到所述第一差分晶体管的第一集电极和所述第二差分晶体管的第二集电极；
第一外部电感器引脚和第二外部电感器引脚，分别电耦合到所述第一内部电感器和所述第二内部电感器，第一外部电感器直接电耦合到所述第一外部电感器引脚，第二外部电感器直接电耦合到所述第二外部电感器引脚；以及
第二电流源，所述第二电流源分别通过第一电阻器和第二电阻器耦合到所述第一差分晶体管的第一集电极和所述第二差分晶体管的第二集电极，所述第一电阻器和所述第二电阻器以及所述第一外部电感器和所述第二外部电感器均连接到外部电容器。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一信号输出引脚被电耦合到发射器光学子组件的第一输入端，并且所述第二信号输出引脚被电耦合到发射器光学子组件的第二输入端。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一信号输出引脚和所述第二信号输出引脚能互换地能连接到发射器光学子组件的第一输入端和第二输入端，以使得所述第一信号输出引脚能连接到所述第一输入端或所述第二输入端中的能选择的一个，并且所述第二信号输出引脚能连接到所述第一输入端或所述第二输入端中的另一个。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述发射器光学子组件的所述第一输入端馈送到第一输入路径中，所述第一输入路径包括位于激光器二极管之前的第一电感器和位于所述激光器二极管之后的第二电感器。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述发射器光学子组件的所述第二输入端馈送到第二输入路径中，所述第二输入路径包括被耦合到所述第二电感器的电阻器。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述第二输入路径还包括位于所述电阻器之前的电容器。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第二输入路径所包括的所述电容器包括被耦合到所述第二输入端的第二外部电容器或者位于所述第二输入端与所述电阻器之间的内部电容器。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，DC-到-DC转换器由自动功率控制(APC)电路进行控制以递送偏置电流IBIAS+(1+k)·IMOD，其中IBIAS为偏置电流，IMOD为调制电流，k在0与1之间。
9.一种用于驱动发射器光学子组件的系统，包括：
驱动器芯片，其包括：
第一差分输入信号引脚和第二差分输入信号引脚；
第一差分晶体管和第二差分晶体管，所述第一差分输入信号引脚和所述第二差分输入信号引脚分别电耦合到所述第一差分晶体管的第一基极和所述第二差分晶体管的第二基极；
第一电流源，所述第一差分晶体管的第一发射极和所述第二差分晶体管的第二发射极电耦合到所述第一电流源并且通过所述第一电流源接地；
第一信号输出引脚和第二信号输出引脚，分别电耦合到所述第一差分晶体管的第一集电极和所述第二差分晶体管的第二集电极；
第一内部电感器和第二内部电感器，分别电耦合到所述第一差分晶体管的第一集电极和所述第二差分晶体管的第二集电极；
第一外部电感器引脚和第二外部电感器引脚，分别电耦合到所述第一内部电感器和所述第二内部电感器；以及
第二电流源，所述第二电流源分别通过第一电阻器和第二电阻器耦合到所述第一差分晶体管的第一集电极和所述第二差分晶体管的第二集电极，所述第一电阻器和所述第二电阻器以及所述第一外部电感器和所述第二外部电感器均连接到外部电容器，
其中，所述第一电流源被配置为偏置由第一外部电感器和所述第一内部电感器限定的第一输出路径以及由第二外部电感器和所述第二内部电感器限定的第二输出路径，其中，所述第一外部电感器直接电耦合到所述第一外部电感器引脚，所述第二外部电感器直接电耦合到所述第二外部电感器引脚，所述第一输出路径被耦合到发射器光学子组件的第一输入端，并且所述第二输出路径被耦合到发射器光学子组件的第二输入端。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述发射器光学子组件的所述第一输入端馈送到第一输入路径中，所述第一输入路径包括位于激光器二极管之前的第一电感器和位于所述激光器二极管之后的第二电感器。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述发射器光学子组件的所述第二输入端馈送到第二输入路径中，所述第二输入路径包括被耦合到所述第二电感器的电阻器。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述第二输入路径还包括位于所述电阻器之前的电容器。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述第二输入路径所包括的所述电容器包括被耦合到所述第二输入端的第二外部电容器或者位于所述第二输入端与所述电阻器之间的内部电容器。
14.根据权利要求9所述的系统，其中，DC-到-DC转换器由自动功率控制(APC)电路进行控制以递送偏置电流IBIAS+(1+k)·IMOD，其中IBIAS为偏置电流，IMOD为调制电流，k在0与1之间。
15.一种用于驱动发射器光学子组件的系统，包括：
驱动器芯片，其包括：
第一差分输入信号引脚和第二差分输入信号引脚；
第一差分晶体管和第二差分晶体管，所述第一差分输入信号引脚和所述第二差分输入信号引脚分别电耦合到所述第一差分晶体管的第一基极和所述第二差分晶体管的第二基极；
第一电流源，所述第一差分晶体管的第一发射极和所述第二差分晶体管的第二发射极电耦合到所述第一电流源并且通过所述第一电流源接地；
第一信号输出引脚和第二信号输出引脚，分别电耦合到所述第一差分晶体管的第一集电极和所述第二差分晶体管的第二集电极；
第一内部电感器和第二内部电感器，分别电耦合到所述第一差分晶体管的第一集电极和所述第二差分晶体管的第二集电极；
第一外部电感器引脚和第二外部电感器引脚，分别电耦合到所述第一内部电感器和所述第二内部电感器；以及
第二电流源，所述第二电流源分别通过第一电阻器和第二电阻器耦合到所述第一差分晶体管的第一集电极和所述第二差分晶体管的第二集电极，所述第一电阻器和所述第二电阻器以及所述第一外部电感器和所述第二外部电感器均连接到外部电容器，
其中，所述第一电流源被配置为偏置由第一外部电感器和所述第一内部电感器限定的第一输出路径以及由第二外部电感器和所述第二内部电感器限定的第二输出路径，其中，所述第一外部电感器直接电耦合到所述第一外部电感器引脚，所述第二外部电感器直接电耦合到所述第二外部电感器引脚，所述第一输出路径被耦合到发射器光学子组件的第二输入端，所述第二输出路径被耦合到发射器光学子组件的第一输入端，所述发射器光学子组件的所述第一输入端馈送到第一输入路径中，所述第一输入路径包括位于激光器二极管之前的第一电感器和位于所述激光器二极管之后的第二电感器，并且所述发射器光学子组件的所述第二输入端馈送到第二输入路径中，所述第二输入路径包括被耦合到所述第二电感器的电阻器。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述第二输入路径还包括位于所述电阻器之前的电容器。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述第二输入路径所包括的所述电容器包括被耦合到所述第二输入端的第二外部电容器或者位于所述第二输入端与所述电阻器之间的内部电容器。
18.根据权利要求15所述的系统，其中，DC-到-DC转换器由自动功率控制(APC)电路进行控制以递送偏置电流IBIAS+(1+k)·IMOD，其中IBIAS为偏置电流，IMOD为调制电流，k在0与1之间。
19.根据权利要求15所述的系统，其中，内部电感器LT和丝焊电感LW2被用于将在激光器阴极处的电容负载与BIAS引脚相隔离。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述激光器阴极能够被从所述BIAS引脚偏置，经由外部电感器L3旁路到地。
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