CN109830887A - 半导体激光器平均功率控制环路和消光比控制环路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光器平均功率控制环路和消光比控制环路包括激光器、半导体激光器驱动电路、背光二极管、基准电流源、平均功率控制环路、消光比控制环路、功率控制逻辑电路和数模转换器，所述半导体激光器驱动电路的输入信号为一对差分模式数据信号以及一对差分模式突发使能禁能信号；本发明采用双环功率控制电路结构，功率控制逻辑电路根据平均功率反馈信号和消光比反馈信号，调节偏置电流和调制电流，使得输出光功率和消光比达到目标值，电路运行稳定、可靠性高。

Description

半导体激光器平均功率控制环路和消光比控制环路

技术领域

本发明涉及半导体激光器，尤其涉及一种半导体激光器平均功率控制环路和消光比控制环路。

背景技术

半导体激光器作为重要的发光器件，由于调制效率高、高频特性好、调谐方便、无需制冷，是光纤通信的理想光源。半导体激光器主要有两种结构：边缘发射型激光器和垂直腔面发射激光器。边缘发射型激光器，分为分布反馈式型激光器和Fabry-Perot(FB)型激光器。其中分布反馈式型激光器具有良好的信噪比、较快的工作速度和较高的发光效率，通常被用在长距离高速传输网中，而FP激光器是应用较为普遍的一种激光器，但它高频响应慢，发光效率低，通常被用于短距离链接网中。垂直腔面发射激光器，是近年来商用中比较成熟的新型激光器，它有生产成本低、调制效率高的优点，尤其是短波长850nm VCSEL在短距离光纤系统中已得到广泛应用。

半导体激光器是通过电流驱动的发光器件，只有当偏置电流值大于阈值电流时，半导体激光器才会发光。遗憾的是，半导体激光器的阈值电流和发光效率会随温度和寿命变化。半导体激光器的阈值电流随着温度的升高而明显增大，发光效率会随着温度的升高而降低。半导体激光器阈值电流和发光效率的漂移，给其应用带来很大不便。为了克服这些弊病，必须对输出功率进行控制，使激光器的工作能够维持在正确的工作点上。

半导体激光器是理想的光源，但是受温度变化和器件老化的影响很大。关于如何消除平均功率和消光比受随温度变化和器件老化的影响，目前已有单环APC、K因子补偿、双环APC补偿等方法。

光电二极管相比半导体激光器具有良好温度、老化和稳定转换特性，APC利用光电二极管将激光器的输出光功率转换为与之成比例的电流，电流经过电阻R_F后，转换为与输出平均光功率成正比的电压信号。该电压信号与参考电压V_REF经过放大器后产生控制电压V_B，V_B控制半导体激光器驱动电路的偏置电流I_BIAS。因此，输出平均光功率得到了控制。单环APC补偿方法也称为平均功率控制环路，由于光电二极管只需要采集输出平均光功率，因此慢速低成本的光电二极管就能满足该设计的需求。然而，该电路只通过一个反馈环补偿偏置电流，而没有补偿调制电流。如果阈值是激光器受温度变化和老化影响的唯一参数，那么这种方法非常完美。然而，实际工作中激光器的发光效率也要受温度和老化的影响。单环APC补偿电路无法解决发光效率随着温度随着温度和老化的影响问题。

K因子补偿方法是在偏置电流变化时，按比例的增大或减小调制电流。其思路如下：为稳定输出平均光功率，偏置电流由单环APC控制。当偏置电流增加时，电路提取偏置电流的一部分用来调节调制电流。因此，调节后的调制电流就等于原调制电流加上偏置电流乘以一个因子K。该方法能够正常调节的理论前提是将阈值的变化和发光效率的变化近似为线性关系，在具体实现中，激光器的K参数的选择直接影响到调制电流补偿的可行性。由于激光器器件参数的离散性，每只激光器的最佳K值都不一样，为了达到补偿效果，需要为每一只激光器设置合适的K值。因此，K因子补偿方法不具备大规模生产的可行性。

双环APC补偿方案利用光电二极管采集激光器谐振腔的后镜面发射的光信号并转换为输出电流，其输出信号馈送到低漂移的直流放大器A₁和宽带交流放大器A₂。A₁的输出信号与激光器发射的平均光功率P_av成比例，A₂的输出信号分别送到正峰值检波器和负峰值检波器，正峰值检波器由SD₁和C₃组成，A₃的输出信号比例于P_max-P_av；负峰值检波器由SD₂和C₄组成，A₄的输出比例与P_av-P_min。因此，放大器A₅的输出与P_max-P_min成比例，即比例于光脉冲的幅度。A₆根据P_max-P_min控制调制电流的幅度I_m，从而稳定激光器输出光脉冲的幅度。放大器A₁和A₄的输出作为A₇的输入，A₇的输出比例于A₁和A₄之差P_min，A₈根据P_min控制偏置电流I₀，从而保证激光器偏置电流的最佳位置。目前，双环APC反馈环路主要于连续模式半导体激光器驱动电路之中，但是，其响应时间较长，无法应用于突发模式半导体激光器驱动电路中。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种半导体激光器平均功率控制环路和消光比控制环路，用于同时检测半导体激光器的平均功率和消光比大小，实现对平均功率和消光比的控制，以使激光器的工作维持在正确的工作点上。

技术方案：一种半导体激光器平均功率控制环路和消光比控制环路，包括激光器、半导体激光器驱动电路、背光二极管、基准电流源、平均功率控制环路、消光比控制环路、功率控制逻辑电路和数模转换器，所述半导体激光器驱动电路的输入信号为一对差分模式数据信号以及一对差分模式突发使能禁能信号；功率控制逻辑电路根据平均功率控制环路产生的平均功率反馈信号以及消光比控制环路产生的消光比反馈信号，调节偏置电流和调制电流，使得输出光功率和消光比达到目标值。

具体的，所述平均功率控制环路包括跨阻放大器TIA1、可变增益放大器VGA1、滤波器FIL1和第一积分比较器。基准电流源I_REF经发送数据信号调制，同时包含直流电流和交流电流，背光二极管根据激光器的发射光功率产生监测电流，与基准电流源I_REF相比较，误差电流输入跨阻放大器TIA1；所述跨阻放大器TIA1的输出端电压输入可变增益放大器VGA1与滤波器FIL1构成的级联电路，生成反馈电压信号，输入第一积分比较器，产生平均功率反馈信号。

进一步的，所述消光比控制环路包括跨阻放大器TIA1、可变增益放大器VGA1、滤波器FIL1、跨阻放大器TIA2、可变增益放大器VGA2、滤波器FIL2、信号选择电路和第二积分比较器。基准电流源I_REF经发送数据信号调制，同时包含直流电流和交流电流，背光二极管根据激光器的发射光功率产生监测电流，与基准电流源I_REF相比较，误差电流输入跨阻放大器TIA1；所述跨阻放大器TIA1的输出端电压输入可变增益放大器VGA1与滤波器FIL1构成的级联电路，生成反馈电压信号；经过发送数据调制的dummy电流源I_DUM经跨阻放大器TIA2、可变增益放大器VGA2与滤波器FIL2构成的级联电路，生成控制电压信号；所述反馈电压信号和控制电压信号输入信号选择电路，生成消光比反馈电压信号；消光比反馈电压信号输入第二积分比较器，产生消光比反馈信号。

有益效果

和现有技术相比，本发明具有如下显著进步：基准电流源经过发送数据信号调制，同时包含直流电流和交流电流。背光二极管(MPD)根据激光器(LD)的发射光功率产生监测电流，与基准电流源相比较，误差电流输入TIA1。TIA1的输入端和输出端电压输入积分比较器，产生平均功率反馈信号，构成平均功率控制环路(APC loop)。TIA1的输入端和输出端电压经过信号选择器(MUX)，再输入积分比较器，产生消光比反馈信号，构成消光比控制环路(ERC loop)。同时，经过发送数据调制的dummy电流源I_DUM经过跨阻放大器TIA2，产生数据选择器控制信号。功率控制逻辑电路根据平均功率反馈信号和消光比反馈信号，调节偏置电流和调制电流，使得输出光功率和消光比达到目标值，构成了闭环的功率控制系统。该双环功率控制电路结构简单，可靠性高。

附图说明

图1为单环APC补偿电路；

图2为双环APC补偿电路；

图3为单环APC和温度查找表的补偿方案；

图4为突发模式半导体激光器平均功率控制环路和消光比控制环路；

图5消光比控制环路原理示意图。

具体实施方式

如图1所示为单环APC的补偿方案，如图2所示为双环APC补偿方案。针对目前的突发模式半导体激光器平均功率控制和消光比控制需求，目前普遍采用单环APC和温度查找表的补偿方案，如图3所示，偏置电流采用闭环APC或开环温度查找表两种方式补偿，调制电流采取开环温度查找表方式补偿。闭环补偿采用的是数字功率控制环，数字功率控制环主要由闭环控制器、模数转换器ADC2、偏置电流数模转换器BIAS_DAC和驱动电路(Driver)组成。光电二极管PD将激光器LD的平均光功率耦合为成比例的电流后，模数转换器ADC2将该电流转换为数字信号，闭环控制器根据ADC2的输出数字信号调整BIAS_DAC的大小，从而达到功率补偿的目的。开环补偿由温度传感器、模数转换器ADC1、查找表、调制电流数模转换器MOD_DAC、偏置电流数模转换器BIAS_DAC和驱动电路(Driver)组成。以调制电流开环补偿为例，首先，温度传感器采集环境温度并将之转换为对应的电压信号，ADC1将模拟电压信号转换为数字信号，数字信号作为查找表的输入值，找到该温度下的调制电流补偿值并调整MOD_DAC，从而达到功率控制的目的。然而，单环APC和温度查找表相结合的控制方案，无法解决半导体激光器老化对消光比影响的问题，对光纤到户中光纤通信系统的可靠性产生不利的影响。

本发明提出的半导体激光器平均功率控制环路和消光比控制环路，结构如图4所示。主要包括半导体激光器驱动电路(Driver)、基准电流源(I_REF)、第一跨阻放大器(TIA1)、第二跨阻放大器(TIA2)、两个可变增益放大器(VGA)、两个滤波器(Fil)、信号选择电路(MUX)、积分比较器(∑Comp)、功率控制逻辑电路(Power control logic)和数模转换器(DAC)。该半导体激光器驱动电路的输入信号是一对差分模式数据信号(记做TX+/TX-)以及一对差分模式突发使能禁能信号(记做BEN+/BEN-)。

基准电流源经过发送数据信号调制，同时包含直流电流和交流电流。背光二极管(MPD)根据激光器(LD)的发射光功率产生监测电流，与基准电流源相比较，误差电流输入TIA1，TIA1的输入端和输出端电压输入积分比较器，产生平均功率反馈信号，构成平均功率控制环路(APC loop)。TIA1的输入端和输出端电压经过信号选择器(MUX)，再输入积分比较器，产生消光比反馈信号，构成消光比控制环路(ERC loop)。同时，经过发送数据调制的dummy电流源I_DUM经过跨阻放大器TIA2，产生数据选择器控制信号。功率控制逻辑电路根据平均功率反馈信号和消光比反馈信号，调节偏置电流和调制电流，使得输出光功率和消光比达到目标值，构成了闭环的功率控制系统。该双环功率控制电路结构简单，可靠性高。

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

半导体激光器的输出光功率为

P_laser＝η(I_BIAS-I_TH)+TX·ηI_MOD (1)

式中：P_laser为半导体激光器发送光功率；I_BIAS为偏置电路输出电流；I_MOD为调制电路输出电流；I_TH为半导体激光器阈值电流；η为半导体激光器的转换效率，单位为W/mA；TX为发送数据，大小为0或者1。

由于激光器的输出光功率和I_MPD的有一定的比例关系，可得

I_MPD＝ρP_laser (2)

式中：I_MPD是背光二极管输出电流；ρ是背光二极管转换效率，单位为mA/W。将公式(1)代入公式(2)，可得

I_MPD＝ηρ[(I_BIAS-I_TH)+TX·I_MOD] (3)

由公式(3)可见，半导体激光器驱动电路的偏置电流和调制电流与背光二极管输出电流成线性关系。可以通过设置功率控制电路中基准电流MON_DAC来实现输出光功率和消光比控制。

化简公式(3)，得

I_MPD＝I_{M_B}+TX·I_{M_M} (4)

式中：I_{M_B}定义为偏置电流转换为对应的监测电流，即ηρ(I_BIAS-I_TH)；I_{M_M}定义为调制电流转换为对应的监测电流，即ηρI_MOD。

基准电流由功率控制逻辑设定，大小为

I_REF＝I_{R_B}+TX·I_{R_M} (5)

式中：I_REF为基准电流；I_{R_B}为未经发送数据调制的直流电流；I_{R_M}为经过发送数据调制后电流。公式(4)减去公式(5)，可得

I_ERR＝(I_{M_B}-I_{R_B})+TX·(I_{M_M}-I_{R_M}) (6)

式中：I_ERR为监测电流与基准电流的误差电流。

平均功率控制环路：

由于PON系统中发送数据为伪随机码，在较长的时间内，可以认为发送数据中0和1个数相同。因此，由公式(1)可得激光器发送的平均光功率大小为

式中：P_AVG是激光器发射平均光功率。激光器的输出平均光功率主要由偏置电流和调制电流大小决定。

图4中，平均功率控制环路包括跨阻放大器TIA1，可变增益放大器VGA1、滤波器FIL1和第一积分比较器。可变增益放大器VGA1放大跨阻放大器TIA1输入输出电压，输出信号经过滤波，保留发送伪随机码流中的低频信号。滤波器输出电压作为积分比较器的输入信号，从而检测背光二极管电流直流部分与基准电流直流部分差值。

对于平均功率控制环路，跨阻放大器TIA1输入输出电压压差经过可变增益放大器VGA1和滤波器，输入积分比较器，可得

式中：A为电压放大器增益，V_C,AV为平均功率检测时电容C_POW上电压；T为积分比较器时钟信号周期；g_m为跨导放大器A1的跨导；R_F为跨阻放大器的跨阻；F_VGA为可变增益放大器传输函数，F_FIL为滤波器传输函数。将公式(7)代入公式(8)，可得

由于在较长的时间范围内，0和1数目相同。因此，公式(9)即为

比较V_C,AV和与基准电压V_REF的大小，即可得到输出平均光功率和目标光功率关系，并根据公式(10)调节偏置电流使输出光功率达到目标值。当V_C,AV>V_REF时，输出信号为1，说明平均光功率偏大，功率逻辑控制电路减小偏置电流I_BIAS；当V_C,AV<V_REF时，输出信号为0，说明平均光功率偏小，功率逻辑电路增大偏置电流I_BIAS。可以看出，平均功率控制环路稳定了激光器发送的平均光功率。

消光比控制环路：

在无源光网络通信系统中，消光比定义为半导体激光器驱动电路发送数据1时的输出光功率和发送0时的输出光功率的比值，即

式中：IR为激光器输出消光比，P₁为发送数据1时输出光功率，P₀为发送数据0时输出光功率。将公式(2)代入公式(11)，可得

因此，调节半导体激光器的消光比，可以通过调节调制电流和偏置电流。消光比控制环路在平均功率调节完成后开始工作。图4中，消光比控制环路增加了信号选择电路，Dummy电路产生的镜像控制信号对滤波器两个输出端口与积分比较器的连接做出选择。信号选择电路工作原理如图5所示。

图5中，I_REF为基准电流，由输入信号驱动功率控制电路设定的输出电流产生。I_MPD为背光二极管输出电流，这两个电流方向相反。在平均功率电路稳定后，基准电流与背光二极管电流均值相等，即I_{M_B}+1/2I_{M_M}＝I_{R_B}+1/2I_{R_M}。V_RF为跨阻放大器TIA1上输入端和输出端电压信号压差，V_ER为信号选择电路输出电压。

当激光器发送光信号消光比偏大时，则发送数据0时I_MPD小于I_REF，发送数据1时I_MPD大于I_REF。可以看出，跨阻放大器输入端口和输出端口电压压差V_RF的极性跟随发送数据信号翻转。信号选择电路对跨阻放大器与积分比较器的端口连接作出了调整。当发送数据0时，跨阻放大器输入端连接积分比较器V_P+输入端，跨阻放大器输出端连接积分比较器V_N-输入端；当发送数据1时，跨阻放大器输入端连接积分比较器V_N-端口，跨阻放大器输出端连接积分比较器V_P+端口。反馈电压V_RF经过信号选择电路后成为积分比较器的输入信号，即为V_ER。可以看出，积分比较器输入信号不再与发送数据有关，仅与消光比大小有关。信号选择电路从逻辑上实现了发送数据与误差电流极性的“同或”运算。因此，

式中：V_C,ER为消光比检测时积分比较器中电容C_POW上电压。将公式(6)代入公式(13)，得

比较V_C,ER与V_REF大小，即可得到输出激光消光比与目标消光比关系。当V_C,ER>V_REF时，输出信号为1，说明消光比偏大，功率控制逻辑电路在满足公式(7)值不变，即平均功率不变的条件下，增大调制电流，减小偏置电流；当V_C,ER<V_REF时，输出信号为0，说明消光比偏小，功率控制逻辑在满足平均功率不变的条件下，减小调制电流，增大偏置电流。可以看出，消光比控制环路在保持平均功率不变的情况下，完成了消光比电路控制功能。

Claims (5)

1.一种半导体激光器平均功率控制环路和消光比控制环路，其特征在于：包括激光器、半导体激光器驱动电路、背光二极管、基准电流源、平均功率控制环路、消光比控制环路、功率控制逻辑电路和数模转换器，所述半导体激光器驱动电路的输入信号为一对差分模式数据信号以及一对差分模式突发使能禁能信号；功率控制逻辑电路根据平均功率控制环路产生的平均功率反馈信号以及消光比控制环路产生的消光比反馈信号，调节偏置电流和调制电流，使得输出光功率和消光比达到目标值。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器平均功率控制环路和消光比控制环路，其特征在于：所述平均功率控制环路包括跨阻放大器TIA1、可变增益放大器VGA1、滤波器FIL1和第一积分比较器。

3.根据权利要求2所述的半导体激光器平均功率控制环路和消光比控制环路，其特征在于：基准电流源I_REF经发送数据信号调制，同时包含直流电流和交流电流，背光二极管根据激光器的发射光功率产生监测电流，与基准电流源I_REF相比较，误差电流输入跨阻放大器TIA1；所述跨阻放大器TIA1的输出端电压输入可变增益放大器VGA1与滤波器FIL1构成的级联电路，生成反馈电压信号，输入第一积分比较器，产生平均功率反馈信号。

4.根据权利要求1所述的半导体激光器平均功率控制环路和消光比控制环路，其特征在于：所述消光比控制环路包括跨阻放大器TIA1、可变增益放大器VGA1、滤波器FIL1、跨阻放大器TIA2、可变增益放大器VGA2、滤波器FIL2、信号选择电路和第二积分比较器。

5.根据权利要求4所述的半导体激光器平均功率控制环路和消光比控制环路，其特征在于：基准电流源I_REF经发送数据信号调制，同时包含直流电流和交流电流，背光二极管根据激光器的发射光功率产生监测电流，与基准电流源I_REF相比较，误差电流输入跨阻放大器TIA1；所述跨阻放大器TIA1的输出端电压输入可变增益放大器VGA1与滤波器FIL1构成的级联电路，生成反馈电压信号；经过发送数据调制的dummy电流源I_DUM经跨阻放大器TIA2、可变增益放大器VGA2与滤波器FIL2构成的级联电路，生成控制电压信号；所述反馈电压信号和控制电压信号输入信号选择电路，生成消光比反馈电压信号；消光比反馈电压信号输入第二积分比较器，产生消光比反馈信号。