CN109638643B - 一种激光器偏置电流补偿电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光器领域，具体涉及一种激光器偏置电流补偿电路和方法，其中电路包括电源、光发射组件、驱动控制电路，还包括偏置电路，所述偏置电路电流输出端与所述驱动控制电路偏置电流端口相连，所述偏置电路的输出电流等于预设偏置电路输出电流值，所述预设偏置电路输出电流值大于0。本发明通过设置偏置电路，使激光器可工作的前提下诊断芯片不会出现偏置电流为0的告警或预警，简便有效的解决偏置电流为0告警导致的激光器停止工作问题，使激光器所在光模块能够持续稳定工作，提高了光模块的稳定性，进而提高整条光通信线路的稳定性。

Description

一种激光器偏置电流补偿电路和方法

【技术领域】

本发明涉及激光器领域，特别是涉及一种激光器偏置电流补偿电路和方法。

【背景技术】

随着光通信技术的发展和光通信应用需求的增长，光通信速率及通信稳定性要求提高，通信用光模块中激光器的控制要求提高，对光模块中激光器告警问题的处理方式也提出更高要求。通信用半导体激光器的控制电流由偏置电流和调制电流两部分组成，其中调制电流值为0时，会触发光模块标准协议中的诊断芯片告警，使激光器停止工作，从而导致整个光模块甚至整条光通信线路停止工作。

为了解决诊断芯片告警导致的激光器停止工作问题，目前通常在光模块控制软件中对激光器正向电流端的偏置电流值进行判断，若获取的偏置电流值为0时，则通过软件向诊断芯片的偏置电流端口发送不为0的电流值。但是，这种方式需要额外的控制软件，即增加了光模块的控制复杂度，又降低了告警响应的精度和速度。

鉴于此，如何克服该现有技术所存在的缺陷，使用简单高效的方式解决诊断芯片告警现象，避免因诊断芯片告警导致的激光器工作停止，是本技术领域亟待解决的问题。

【发明内容】

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明解决了偏置电流为0时光模块诊断芯片告警导致激光器停止工作的问题。

本发明实施例采用如下技术方案:

第一方面，本发明提供了一种激光器偏置电流补偿电路，包括电源、光发射组件、驱动控制电路，光发射组件包括半导体激光器和光感应器件，电源与半导体激光器正极相连，驱动控制电路包括调制电流端口、偏置电流端口和背光电流端口，偏置电流端口与激光器负极相连，背光电流端口与光感应器件相连，其特征在于：还包括偏置电路，偏置电路与光发射组件并联，偏置电路的输出端口与光发射组件的偏置电流输出端口相连，偏置电路的输出电流与光发射组件输出的偏置电流共同输入至诊断芯片的偏置电流输入端口，偏置电路的输出电流等于预设电流值。

优选的，偏置电路的等效电阻R＝(Vcc-Vbias)/Ibias_偏置电路，其中Vcc为电源电压值，Vbias为驱动控制电路偏置电流端口电压值，Ibias_偏置电路为预设电流值；偏置电路串联在电源和驱动控制电路偏置电流控制模块输入口之间。

优选的，偏置电路具体为电阻值可变的可调元件，可调元件电阻值根据Ibias_偏置电路变化，使其等效电阻等于等效电阻R。

优选的，还包括主控芯片，主控芯片电压监测端口与偏置电流端口相连，主控芯片可接收外部输入的Ibias_偏置电路值，并监测Vbias值，根据监测到的Vbias和当前设定的Ibias_偏置电路值实时控制可调元件的电阻值。

优选的，可调元件具体为可调电阻、可调电感、可调电容和/或可调电位器。

优选的，偏置电路包括恒流电流源，恒流电流源与偏置电流端口相连，输出与Ibias_偏置电路值相等的电流值。

优选的，恒流电流源具体为可调恒流源，输出电流可根据当前设定的Ibias_偏置电路值变化。

优选的，还包括主控芯片，主控芯片可接收外部输入的Ibias_偏置电路值，根据当前设定的Ibias_偏置电路值实时控制可调恒流源的输出电流。

优选的，驱动控制电路包括偏置电流控制电路、调制电流控制电路和激光器功率监测控制电路；偏置电流控制电路与偏置电流端口相连，输入端口与偏置电路输出端口相连；调制电流控制电路与调制电流端口相连，并与半导体激光器耦合；激光器功率监测控制电路与背光电流端口相连。

另一方面，本发明提供了一种激光器偏置电流补偿方法，具体为，使用上述任一项激光器偏置电流补偿电路，为激光器驱动控制电路的偏置电流端口提供输入电流。

与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：偏置电路可为诊断芯片偏置电流端口的输入电流提供持续恒定的电流，利用偏置电路的电学特性对诊断芯片的输入电流值进行补偿，在激光器输出的偏置电流为0的情况下，诊断芯片也不会因输入的偏置电流为0而告警。通过该激光器偏置电流补偿电路和方法，可以在不需增加额外的控制软件及运行控制软件所需的硬件设备的前提下解决偏置电流为0告警，维持激光器持续工作，降低光模块成本，提高光模块的通信稳定性。

本发明提供了一种激光器偏置电流补偿电路和方法，其目的在于通过设置偏置电路，使激光器可工作的前提下，诊断芯片不会出现偏置电流为0的告警，简便有效的解决偏置电流为0告警导致的激光器停止工作问题，使光模块能够持续稳定工作。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种激光器偏置电流补偿电路的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种激光器偏置电流补偿电路的结构示意图；

图3是本发明实施例工作原理示意图；

图4是本发明实施例工作原理示意图；

图5是本发明实施例提供的一种激光器偏置电流补偿电路的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种激光器偏置电流补偿电路的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的一种激光器偏置电流补偿电路的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的一种激光器偏置电流补偿电路的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的一种激光器偏置电流补偿电路的结构示意图；

图10是本发明实施例提供的一种激光器偏置电流补偿电路的结构示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明是一种特定功能系统的体系结构，因此在具体实施例中主要说明各结构模组的功能逻辑关系，并不对具体软件和硬件实施方式做限定。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面就参考附图和实施例结合来详细说明本发明。

随着光通信技术的发展，包含半导体激光器的光通信模块应用越来越广泛，对于光通信模块的工作稳定性要求也越来越高，由于半导体激光器的物理特性和光通信模块标准的要求，在半导体激光器偏置电流为0时，光通信模块诊断芯片会发出告警，导致整个光模块停止工作，但在实际应用中，某些偏置电流为0的情况下，半导体激光器仍可保持工作状态。为了解决前述问题，本发明提供了一种激光器偏置电流补偿电路和方法，该方法通过设置偏置电路，避免在半导体激光器仍可工作的情况下因偏置电流为0告警而导致的模块停止工作，减少光模块告警导致的通信中断，提高光模块工作稳定性。

实施例1：

下面结合图1说明本发明激光器偏置电流补偿电路的具体结构：

激光器偏置电流补偿电路包括：电源、光发射组件、驱动控制电路、偏置电路。

电源为整个电路提供输入电压和电流。按照电路设计要求，电路中至少存在一个主电源。主电源与电路间可设置开关，开关控制整个电路是否通电工作。

光发射组件由激光器和光感应器件组成，激光器为半导体激光器，主要部件为发光二极管。发光二极管的正极与电源相连，电源发出的电流正向流过发光二极管，使二极管中存在工作电流。光感应器件感应激光器发出的工作激光，根据激光器的光功率输出对应的电流值，在实际应用场景中，光感应器件可选用背光二极管，背光二极管与激光器并联，正负极方向与激光器发光二极管方向相反，也可以选择其它能够感应激光器发光强度并输出相应电流值的电子元件或电路。

驱动控制电路包括调制电流模块，偏置电流模块和背光电流模块。调制电流模块通过调制电流端口与激光器耦合，根据输入信号调整通过激光器的工作电流，使激光器所发出的光功率符合工作要求。偏置电流模块通过偏置电流端口与激光器相连，监测并调整通过激光器的电流，通过调整偏置电流值控制激光器所发出的光功率。背光电流模块通过背光电流端口与光感应器件相连，监测光感应器件输出的背光电流，根据背光电流强度调整通过激光器的电流。

偏置电路用于输出用于补偿的偏置电流，与驱动控制电路的偏置电流端口相连。偏置电路可直接输出与预设电流值相同的电流，或串联在电源与偏置电流端口之间，使经过偏置电路后输出的电流值与预设电流值相同。

在本实施例的某些具体应用场景中，如图2：

激光器为半导体发光二极管，发光二极管正极与电源Vcc相连，发光二极管负极与偏置电流端口BIAS相连，发光二极管负极与调制电流负端口OUT-相连、发光二极管正极与调制电流正端口OUT+相连。通过发光二极管的总电流由偏置电流Ibias和调制电流Imod两部分组成，偏置电流Ibias流入BIAS，当发光二极管中电流正向流过时调制电流Imod流入OUT+，当发光二极管中电流负向流过时调制电流Imod流入OUT-。调制电流控制模块控制流入OUT和OUT-的电流，偏置电流控制模块控制流入BIAS的电流，这两个模块共同决定流过发光二极管的电流值。

光感应器件为背光二极管，背光二极管负极与电源相连，背光二极管负极与背光电流端口MD相连。发光二极管的光功率可通过背光二极管输入至MD的电流量判断，并通过与闭环控制使发光二极管发出的工作激光功率P稳定。

由于半导体激光器的特性，激光器的阈值电流Ith和发光效率Kld会随温度改变而变化。温度升高时，Ith增加，Kld减小。温度降低时Ith减小，Kld增大。变化规律如图3所示。

Ibias、Imod和发光二极管的平均光功率Pavg间关系如图4所示，满足如下公式：

Pavg＝Kld*(Ibias+Imod/2-Ith)，

即:Ibias＝(Pavg/Kld)-(Imod/2)+Ith。

其中Pavg＝(P1+P0)/2，P0为调制信号为“0”时的工作激光功率，P1为调制信号为“1”时的工作激光功率。当温度降低时，Kld变大，Ith变小，Imod维持不变，为了维持Pavg的恒定，在Pavg值不变的情况下，Ibias值需减小。当温度降低到一定程度时，Ibias就会降为0，但此时激光器仍能发出Pavg负荷要求的工作激光。

在本领域产品标准中要求的SFF-8472光模块协议中，包含监测Ibias的数字诊断芯片，在BIAS输入电流大于Bias电流高告警门限或低于Bias电流低告警门时发出告警信号，在BIAS输入电流大于Bias电流高预警门限或Bias电流低于低预警门限时发出预警信号。地址A2h的第16字节至第23字节是Ibias的告警门限，具体定义如下表：

当Ibias为0时，不论无论电流低告警门限和电流低预警门限设置为多少，都会低于Bias电流低告警门限和Bias电流低预警门限，导致第112字节bit2置1和第116字节bit2置1，驱动控制电路控制激光器停止工作，导致整个光模块停止工作，进而影响整条光通信线路工作。

为了解决上述问题，使诊断芯片在Ibias为0但激光器仍能保持工作的情况下不发出Bias电流告警信号或Bias电流预警信号，保持Ibias为0情况下光模块不因Bias电流告警信号或Bias电流报警信号而停止工作，需要向BIAS输出额外的偏置电流即Ibias_偏置电路。因为诊断芯片接收到的总偏置电流Ibias＝Ibias_激光器+Ibias_偏置电路，即使Ibias_激光器因温度而减小为0，Ibias也不会为0，从而避免仅因温度变化而出现的Bias电流告警信号或Bias电流报警信号。

在实际应用场景中，针对Ibias为0但激光器仍能工作的情况，可以根据电路设计的实际要求选择合适的方式，向驱动控制电路的BIAS端口输入不为0的补偿电流，使诊断芯片不发出Bias电流告警信号或Bias电流报警信号。本实施例中简单列举几种输出预设电流值Ibias_偏置电路的方式：

(1)在本发明某些具体实施方式中，在Vcc和BIAS间串联一个电阻，电阻值R＝(Vcc-Vbias)/Ibias_偏置电路，其中Vcc为电源电压值，Vbias为驱动控制电路偏置电流端口电压值。等效电阻R可简单使用固定等效电阻值的电阻、电容、电感实现。在本发明的某个具体实施方式中，电源电压3.3V,Vbias是1.2V，Ibias_偏置电路设计为1mA，通过上面公式计算得到需要的等效电阻是2.1k欧姆。在无偏置电路和有偏置电路的情况下，SFF-8472光模块协议中所定义的Ibias诊断端口和BIAS输入值如下表：

地址	定义	无偏置电路	有偏置电路
				第100/101字节	Bias电流上报值	0mA	1mA

增加偏置电路后，即使低温情况下通过激光器的电流Ibias_激光器减小到0，仍然有1mA的电流Ibias_偏置电路流入激光器驱动芯片，数字诊断功能系统诊断各个参数正常。该方法简单易行，使用最小的成本及最简单的电路结构，为BIAS提供所需的Ibias_偏置电路。本实施方式中，电阻也可由电容、电感等能提供电阻值的电子元件实现。

(2)在本发明某些具体实施方式中，在BIAS端口连接恒流源电路或恒流芯片的输出端口，可使用运放实现的简单恒流源电路，或使用NU502芯片等常见线性定电流芯片，使电路输出端口流出的电流值等于Ibias_偏置电路。该实施也较为简单易行，成本较低，可以在尽可能减小原有电路连接方式变化的基础上为BIAS提供所需的Ibias_偏置电路。

(3)在本发明的某些实施方式中，偏置电路中的等效电阻具体为等效电阻值可调的电子元件，如可调电阻、可调电容、可调电感、可调电位器等，并通过主控芯片或控制电路调节其等效电阻。当预设的Ibias_偏置电路需根据外部条件变化时，该方法通过控制可变等效电阻的等效电阻值，提供符合当前外部条件的Ibias_偏置电路输出，无需根据Ibias_偏置电路的变化改变电路硬件结构，增加了电路控制的灵活性和光模块的应用范围。

(4)在本发明某些具体实施方式中，在BIAS端口连接可调恒流源，如LM334芯片等，当预设的Ibias_偏置电路需根据外部条件变化时，该方法通过控制可变电流源输出的电流值提供符合当前外部条件的Ibias_偏置电路输出，无需根据Ibias_偏置电路的变化改变电路硬件结构，增加了电路控制的灵活性和光模块的应用范围。

以上具体实施方式都能够达到向BIAS提供额外的Ibias_偏置电路的功能，可根据具体场景单独使用或互相配合使用，如在偏置电路中串联多个电阻和电容、在恒流源偏置电路中串联电阻等，这些方式都可在通过激光器的电流Ibias_激光器为0时仍保持数字诊断功能系统诊断各个参数正常，防止因Ibias为0导致的诊断芯片告警和光模块工作停止，提高了光模块工作的稳定性和可靠性，减少了光通信线路因光模块停止工作而造成的故障。

实施例2：

在通信用光模块电路相关设计中，因协议、标准和成本等原因，驱动控制电路可选用现有的驱动控制芯片实现。常用的控制芯片推荐电路都未设置偏置电路，因此当Ibias为0时，无论激光器是否能正常工作，都会发出告警信号。在本发明的实施例中，可通过在驱动控制芯片的相应端口连接偏置电路，为驱动控制芯片的偏置电流端口提供额外的补偿电流Ibias_偏置电路，从而使驱动控制芯片在通过激光器的电流Ibias_激光器为0时仍控制激光器保持工作状态。

在实际应用场景中，可以根据光模块工作的实际需求、电路成本等选择合适的驱动控制芯片，控制光发射组件按照需求工作。电源、光发射组件、光感应组件、偏置电路可组成如图5或如图6所示的电路结构与驱动控制芯片相连，图5所示偏置电路为等效电阻R，图6所示偏置电路为电流源。电源与电路其它部分之间可设置断电开关。光感应器件正极可接地。激光器正负极、光感应器件与芯片端口之间可根据需要串联适当的等效电阻，如电阻、电容、电感等。

本实施例中简单列举几种常用的驱动控制芯片与电源、光发射组件和偏置电路额连接方式：

(1)在本发明某些具体实施方式中，如图7所示，使用MAX3737芯片。芯片OUT+端口为调制电流正端口，芯片OUT-端口为调制电流负端口，芯片BIAS端口为偏置电流端口，芯片MD端口为背光电流端口。OUT+连接发光二极管正极，OUT-连接发光二极管负极，MD连接背光二极管正极。使用等效电阻的偏置电路，电阻R串联在Vcc与BIAS之间。使用电流源的偏置电路，电流源输出端与BIAS相连。

(2)在本发明某些具体实施方式中，如图8所示，使用GN25L95芯片。芯片LASER+端口为调制电流正端口，芯片LASER-端口为调制电流负端口，芯片BIAS+和BIAS-端口为偏置电流端口，芯片MPD端口为背光电流端口。LASER+连接发光二极管正极，LASER-连接发光二极管负极，MPD连接背光二极管正极。偏置电路等效电阻R串联在Vcc与BIAS+之间，或偏置电路电流源与BIAS+相连。

(3)在本发明某些具体实施方式中，如图9所示，使用NT22L33芯片。芯片OUT+端口为调制电流正端口，芯片OUT-端口为调制电流负端口，芯片IBIAS端口为偏置电流端口，芯片PDin端口为背光电流端口。OUT+连接发光二极管正极，OUT-连接发光二极管负极。偏置电路等效电阻R串联在Vcc与IBIAS之间，或偏置电路电流源与IBIAS相连。断电开关连接与芯片SHUTDOWN端口相连。

(4)在本发明某些具体实施方式中，如图10所示，使用UX3328芯片。芯片LDON端口为调制电流正端口，芯片LDOP端口为调制电流负端口，芯片BIASP端口为偏置电流端口，芯片PDin端口为背光电流端口。LDON连接发光二极管正极，LDOP连接发光二极管负极。偏置电路等效电阻R串联在Vcc与BIASP之间，或偏置电路电流源与BIASP相连。

本发明的实例中，进入驱动控制芯片偏置电流端口的电流Ibias由流经激光器的Ibias_激光器和流经偏置电路的Ibias_偏置电路两部分组成，由电路结构可知Ibias＝Ibias_激光器+Ibias_偏置电路，在Ibias_偏置电路大于0的情况下，即使Ibias_激光器因温度而减小为0，Ibias也不会为0。

以上具体实施方式中，使用在现有驱动控制芯片与发光组件连接电路基础上增加偏置电路，由偏置电路向驱动控制芯片的偏置电流端口输入Ibias_偏置电路，避免仅因温度变化而出现的Bias电流告警信号或Bias电流预警信号，防止芯片因告警和预警发出激光器停止工作信号，提高了光模块工作的稳定性和可靠性，减少了光通信线路因光模块停止工作而造成的通信中断，保证到了整条线路的通信质量。

Claims (10)

1.一种激光器偏置电流补偿电路，包括电源、光发射组件、驱动控制电路，所述光发射组件包括并联的半导体激光器和光感应器件，所述电源与所述半导体激光器正极相连，所述驱动控制电路包括调制电流端口、偏置电流端口和背光电流端口，所述偏置电流端口与所述半导体激光器负极相连，所述背光电流端口与所述光感应器件相连,其特征在于：

还包括偏置电路，所述偏置电路与所述光发射组件并联，所述偏置电路的输出端口与所述光发射组件的偏置电流输出端口相连，所述偏置电路的输出电流与所述光发射组件输出的偏置电流共同输入至驱动控制电路的偏置电流端口，所述偏置电路的输出电流等于预设电流值，所述预设电流值大于诊断芯片的电流低告警门限。

2.根据权利要求1所述激光器偏置电流补偿电路，其特征在于：

所述偏置电路的等效电阻R＝(Vcc-Vbias)/Ibias_偏置电路，其中Vcc为所述电源电压值，Vbias为所述驱动控制电路偏置电流端口电压值，Ibias_偏置电路为预设电流值；

所述偏置电路串联在所述电源和所述驱动控制电路的偏置电流端口之间。

3.根据权利要求2所述激光器偏置电流补偿电路，其特征在于：

所述偏置电路具体为电阻值可变的可调元件，所述可调元件电阻值根据Ibias_偏置电路变化，使其等效电阻等于所述等效电阻R；

所述可调元件串联在所述电源和所述驱动控制电路的偏置电流端口之间。

4.根据权利要求3所述激光器偏置电流补偿电路，其特征在于，还包括主控芯片，所述主控芯片电压监测端口与所述偏置电流端口相连，所述主控芯片接收由偏置电流端口输入的电流，并监测Vbias，根据监测到的Vbias和Ibias_偏置电路实时控制所述可调元件的电阻值。

5.根据权利要求3或4所述激光器偏置电流补偿电路，其特征在于，所述可调元件具体为可调电阻、可调电感、可调电容和可调电位器中的一个或多个。

6.根据权利要求1所述激光器偏置电流补偿电路，其特征在于，所述偏置电路包括恒流电流源，所述恒流电流源与所述偏置电流端口相连，恒流电流源输出与所述预设电流值相等的电流值。

7.根据权利要求6所述激光器偏置电流补偿电路，其特征在于，所述恒流电流源具体为可调恒流源，可调恒流源的输出电流根据所述预设电流值变化。

8.根据权利要求7所述激光器偏置电流补偿电路，其特征在于，还包括主控芯片，所述主控芯片接收由偏置电流端口输入的电流，根据所述预设电流值实时控制所述可调恒流源的输出电流。

9.根据权利要求1所述激光器偏置电流补偿电路，其特征在于：

所述驱动控制电路包括偏置电流控制电路、调制电流控制电路和激光器功率监测控制电路；

偏置电流端口作为偏置电流控制电路的输入口；

调制电流控制电路通过调制电流端口与所述半导体激光器耦合；

背光电流端口作为激光器功率监测控制电路的输入口。

10.一种激光器偏置电流补偿方法，其特征在于，使用权利要求1-9中任一项所述激光器偏置电流补偿电路，为所述驱动控制电路的偏置电流端口提供输入电流。

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