CN110995353A - 一种宽带模拟调制的激光收发模块及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种宽带模拟调制的激光收发模块及控制方法，涉及高速激光通信的发射与接收模块设计领域，包括激光发射模块、开关电源模块和激光接收模块，其中，所述激光发射模块、所述开关电源模块和所述激光接收模块并排设置，所述开关电源模块设置于所述激光发射模块和所述激光接收模块中间。本发明将直接电流调制的半导体激光发射模块与宽带光电探测模块集成在一起，使双工激光模块结构更加紧凑，同时具有保证性能指标与鲁棒性。

Description

一种宽带模拟调制的激光收发模块及控制方法

技术领域

本发明涉及高速激光通信的发射与接收模块设计领域。更具体地，涉及一种宽带模拟调制的激光收发模块及控制方法。

背景技术

在光纤时间频率传递中，激光收发模块发挥着信息传递中“读”与“写”的功能，是通信的核心部件。目前，光纤时间频率传递设备中的激光收发模块采用分功能、独立配置方式，将发射模块与接收模块分立。主要原因是基于激光外调制的发射模块包含高速电光调制器，其对于电学噪声干扰较为敏感，并且成本较高，需要一定程度的隔离保护。

对于直接电流调制的半导体激光器，虽然调制带宽略逊色于外调制激光模块，但在功能实现与成本上占据优势。并且，通过空间金属屏蔽，避免电磁信号相互干扰，可以将半导体激光器与光电探测部分集成于一体，有利于大范围的商用集成。

因此，需要提供一种宽带模拟调制的激光收发模块，将直接电流调制的半导体激光发射模块与宽带光电探测模块集成在一起，使双工激光模块结构更加紧凑，同时保证性能指标与鲁棒性。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种宽带模拟调制的激光收发模块及控制方法，能够实现了激光发射与激光接收模块一体化集成，减小了激光收发模块体积，同时，采用光功率稳定反馈方式，控制半导体激光的稳定工作点，提高了鲁棒性。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种宽带模拟调制的激光收发模块，所述激光收发模块内部集成设置有激光发射模块、开关电源模块和激光接收模块，所述激光发射模块、开关电源模块和激光接收模块并排设置，其中所述开关电源模块设置在所述激光发射模块和所述激光接收模块中间；所述激光收发模块外部设置调制输入端口、解调输出端口、直流电源输入端口、光纤输入接口和光纤输出接口，所述调制输入端口与所述激光发射模块所述激光发射模块输入端连接，所述光纤输出接口与所述激光发射模块输出端连接，所述直流电源输入端口与所述开关电源模块输入端连接，所述解调输出端口与所述激光接收模块输出端连接，所述光纤输入接口与所述激光接收模块输入端连接，其中，所述调制输入端口、解调输出端口和直流电源输入端口设置在所述激光收发模块的一侧，所述光纤输入接口和光纤输出接口设置在所述激光收发模块的另一侧，并且所述光纤输入接口和光纤输出接口与所述调制输入端口、解调输出端口和直流电源输入端口相对设置，所述激光发射模块、开关电源模块和激光接收模块采用物理空间隔离。

优选地，所述激光发射模块包括偏置设定模块、电流-电压转换模块、比较电路、稳压模块和激光器，所述半导体激光器电信号输出端与所述电流-电压转换模块输入端连接，所述电流-电压转换模块输出端与所述比较电路反向输入端连接，所述比较电路正向输入端与所述偏置设定模块输出端连接，所述比较电路输出端与所述稳压模块输入端连接，所述稳压模块输出端与所述半导体激光器输入端连接，所述半导体激光器输入端还与所述调制输入端口连接，所述半导体激光器光信号输出端与所述光纤输出端连接。

优选地，所述激光器为半导体激光器，并且半导体激光器包括并联设置的光电检测原件PD和激光二极管LD，其中所述光电检测原件PD的阳极端连接所述半导体激光器电信号输出端口，所述激光二极管LD的阴极端连接所述半导体激光器输入端口。

优选地，所述激光接收模块包括光电探测器、第一放大模块、第一调理模块、第二放大模块和第二调理模块，所述光电探测器输入端连接所述光纤输入接口，所述光电探测器输出端连接所述第一放大模块输入端，所述第一放大模块输出端连接所述第一调理模块输入端，所述第一调理模块输出端连接所述第二放大模块输入端，所述第二放大模块输出端连接所述第二调理模块输入端，所述第二调理模块输出端连接所述解调输出端口。

优选地，所述开关电源模块输出端连接半导体激光器、光电探测器、比较电路、第一放大模块和第二放大模块，所述开关电源模块用于向各个模块供电，并输出稳定的电压信号，为所述偏置设定模块提供电压参考输入。

优选地，所述半导体激光器的调制带宽和光电探测器的探测带宽一致；所述半导体激光器供电端配置至少2个去耦电容或者配置电感。

优选地，所述激光接收模块的表面上以及有源器件周围设置有地孔，所述激光接收模块中的各个模块之间敷实铜并接地。

优选地，所述开关电源模块输出端配置至少2组电容。

优选地，所述偏置设定模块和电流-电压转换模块中采用高精度电阻和电容。

本发明的另一个目的在于提供一种控制半导体激光的稳定工作点的方法，所述方法为：

所述激光发射模块中，所述半导体激光器采用支持高速电流模拟调制的半导体激光器，所述半导体激光器驱动电流的变化由加在其两端的电势差决定，所述电势差包含直流电部分和交流电部分，所述直流电部分设定所述半导体激光器的稳定工作点，并且通过光功率反馈方式控制，所述光功率反馈方法为：

所述半导体激光器中的所述光电探测元件PD接收到所述激光二极管LD的部分光功率产生光电流，所述光电流经过所述电流-电压转换输入至所述比较电路的反向输入端，所述比较电路的正向输入端为所述偏置设定模块产生的标准电平，所述标准电平决定了所述激光二极管LD的稳定工作点，所述比较电路根据输入端的电压，输出反馈电压，通过所述稳压模块滤除噪声，改变所述激光二极管LD阴极的直流电压，形成光功率反馈环路，进而控制所述激光二极管LD阳极与阴极之间的电势差，从而实时调整所述激光二极管LD的驱动电流，保证了所述激光二极管LD工作稳定，加载在所述半导体激光器的交流电压信号通过外部调制输入提供，经过电容耦合至所述激光二极管LD，交变电压产生对应产生驱动所述激光二极管LD的交变电流，改变所述激光二极管LD输出的激光功率，从而实现将电信号信息加载在光学载波，所述激光二极管LD输出激光通过光纤输出至远端，实现信息发送。

本发明的有益效果如下：

本发明装置集成了高速电流直接模拟调制的半导体激光器和宽带光电探测器，实现了激光发射与激光接收模块一体化集成，减小了激光收发模块体积。同时，采用光功率稳定反馈方式，控制半导体激光的稳定工作点，提高了鲁棒性。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明的宽带模拟调制的激光收发模块原理。

图2示出本发明的宽带模拟调制的激光收发模块结构。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的属于“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法或设备固有的气体步骤或单元。

如图1和图2所示，一种宽带模拟调制的激光收发模块，激光收发模块内部集成设置有激光发射模块、开关电源模块和激光接收模块，激光发射模块、开关电源模块和激光接收模块并排设置，其中开关电源模块设置在激光发射模块和激光接收模块中间；激光收发模块外部设置调制输入端口、解调输出端口、直流电源输入端口、光纤输入接口和光纤输出接口，调制输入端口与激光发射模块激光发射模块输入端连接，光纤输入接口与激光发射模块输出端连接，直流电源输入端口与开关电源模块输入端连接，解调输出端口与激光接收模块输出端连接，光纤输入接口与激光接收模块输入端连接。

在上述实施例中，调制输入端口、解调输出端口和直流电源输入端口设置在激光收发模块的一侧，光纤输入接口和光纤输出接口设置在激光收发模块的另一侧，并且光纤输入接口和光纤输出接口与调制输入端口、解调输出端口和直流电源输入端口相对设置，激光发射模块、开关电源模块和激光接收模块采用物理空间隔离。激光发射模块包括偏置设定模块、电流-电压转换模块、比较电路、稳压模块和激光器，半导体激光器电信号输出端连接电流-电压转换模块输入端，电流-电压转换模块输出端连接比较电路反向输入端，比较电路正向输入端连接偏置设定模块输出端，比较电路输出端连接稳压模块输入端，稳压模块输出端连接半导体激光器输入端，半导体激光器输入端还连接调制输入端口，半导体激光器光信号输出端连接光纤输出端。激光器为半导体激光器，并且半导体激光器包括并联设置的光电检测原件PD和激光二极管LD，其中光电检测原件PD的阳极端连接半导体激光器电信号输出端口，激光二极管LD的阴极端连接半导体激光器输入端口。

在进一步的实施例中，激光接收模块包括光电探测器、第一放大模块、第一调理模块、第二放大模块和第二调理模块，光电探测器输入端连接光纤输入接口，光电探测器输出端连接第一放大模块输入端，第一放大模块输出端连接第一调理模块输入端，第一调理模块输出端连接第二放大模块输入端，第二放大模块输出端连接第二调理模块输入端，第二调理模块输出端连接解调输出端口。开关电源模块输出端连接半导体激光器、光电探测器、比较电路、第一放大模块和第二放大模块，开关电源模块用于向各个模块供电，并输出稳定的电压信号，为偏置设定模块提供电压参考输入。

在上述实施例中，半导体激光器的调制带宽和光电探测器的探测带宽一致；半导体激光器供电端配置至少2个去耦电容或者配置电感。激光接收模块的表面上以及有源器件周围设置有地孔，激光接收模块中的各个模块之间敷实铜并接地。开关电源模块输出端配置至少2组电容。偏置设定模块和电流-电压转换模块中采用高精度电阻和电容。

本发明的另一个目的在于提供一种控制半导体激光的稳定工作点的方法，方法为：

激光发射模块中，半导体激光器采用支持高速电流模拟调制的半导体激光器，半导体激光器驱动电流的变化由加在其两端的电势差决定，电势差包含直流电部分和交流电部分，直流电部分设定半导体激光器的稳定工作点，并且通过光功率反馈方式控制，光功率反馈方法为：

半导体激光器中的光电探测元件PD接收到激光二极管LD的部分光功率产生光电流，光电流经过电流-电压转换输入至比较电路的反向输入端，比较电路的正向输入端为偏置设定模块产生的标准电平，标准电平决定了激光二极管LD的稳定工作点，比较电路根据输入端的电压，输出反馈电压，通过稳压模块滤除噪声，改变激光二极管LD阴极的直流电压，形成光功率反馈环路，进而控制激光二极管LD阳极与阴极之间的电势差，从而实时调整激光二极管LD的驱动电流，保证了激光二极管LD工作稳定，加载在半导体激光器的交流电压信号通过外部调制输入提供，经过电容耦合至激光二极管LD，交变电压产生对应产生驱动激光二极管LD的交变电流，改变激光二极管LD输出的激光功率，从而实现将电信号信息加载在光学载波，激光二极管LD输出激光通过光纤输出至远端，实现信息发送。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种宽带模拟调制的激光收发模块，其特征在于，所述激光收发模块内部集成设置有激光发射模块、开关电源模块和激光接收模块，所述激光发射模块、所述开关电源模块和所述激光接收模块并排设置，其中所述开关电源模块设置于所述激光发射模块和所述激光接收模块中间；

所述激光收发模块外部设置有调制输入端口、解调输出端口、直流电源输入端口、光纤输入接口和光纤输出接口，所述调制输入端口与所述激光发射模块输入端连接，所述光纤输出接口与所述激光发射模块输出端连接，所述直流电源输入端口与所述开关电源模块输入端连接，所述解调输出端口与所述激光接收模块输出端连接，所述光纤输入接口与所述激光接收模块输入端连接，其中，所述调制输入端口、解调输出端口和直流电源输入端口设置在所述激光收发模块的一侧，所述光纤输入接口和光纤输出接口设置在所述激光收发模块的另一侧，并且所述光纤输入接口和光纤输出接口与所述调制输入端口、解调输出端口和直流电源输入端口相对设置；

所述激光发射模块、开关电源模块和激光接收模块采用物理空间隔离。

2.根据权利要求1所述的一种宽带模拟调制的激光收发模块，其特征在于：

所述激光发射模块包括偏置设定模块、电流-电压转换模块、比较电路、稳压模块和激光器，所述半导体激光器电信号输出端与所述电流-电压转换模块输入端连接，所述电流-电压转换模块输出端与所述比较电路反向输入端连接，所述比较电路正向输入端与所述偏置设定模块输出端连接，所述比较电路输出端与所述稳压模块输入端连接，所述稳压模块输出端与所述半导体激光器输入端连接，所述半导体激光器输入端还与所述调制输入端口连接，所述半导体激光器光信号输出端与所述光纤输出端连接。

3.根据权利要求2所述的一种宽带模拟调制的激光收发模块，其特征在于：

所述激光器为半导体激光器，并且半导体激光器包括并联设置的光电检测原件PD和激光二极管LD，其中所述光电检测原件PD的阳极端连接所述半导体激光器电信号输出端口，所述激光二极管LD的阴极端连接所述半导体激光器输入端口。

4.根据权利要求1所述的一种宽带模拟调制的激光收发模块，其特征在于：

所述激光接收模块包括光电探测器、第一放大模块、第一调理模块、第二放大模块和第二调理模块，其中，所述光电探测器输入端连接所述光纤输入接口，所述光电探测器输出端连接所述第一放大模块输入端，所述第一放大模块输出端连接所述第一调理模块输入端，所述第一调理模块输出端连接所述第二放大模块输入端，所述第二放大模块输出端连接所述第二调理模块输入端，所述第二调理模块输出端连接所述解调输出端口。

5.根据权利要求1所述的一种宽带模拟调制的激光收发模块，其特征在于：

所述开关电源模块输出端连接半导体激光器、光电探测器、比较电路、第一放大模块和第二放大模块，所述开关电源模块用于向各个模块供电，并输出稳定的电压信号，为所述偏置设定模块提供电压参考输入。

6.根据权利要求3所述的一种宽带模拟调制的激光收发模块，其特征在于：

所述半导体激光器的调制带宽和光电探测器的探测带宽一致；

所述半导体激光器供电端配置至少两个去耦电容或者配置电感。

7.根据权利要求1或4所述的一种宽带模拟调制的激光收发模块，其特征在于：

所述激光接收模块的表面上以及有源器件周围设置有地孔，所述激光接收模块中的各个模块之间敷实铜并接地。

8.根据权利要求1或5所述的一种宽带模拟调制的激光收发模块，其特征在于：

所述开关电源模块输出端配置至少两组电容。

9.根据权利要求2所述的一种宽带模拟调制的激光收发模块，其特征在于：

所述偏置设定模块和电流-电压转换模块中采用高精度电阻和电容。

10.一种控制半导体激光的稳定工作点的方法，其特征在于，在激光发射模块中，所述半导体激光器采用支持高速电流模拟调制的半导体激光器，所述半导体激光器驱动电流的变化由加在其两端的电势差决定，所述电势差包含直流电部分和交流电部分，所述直流电部分用于设定所述半导体激光器的稳定工作点，并且通过光功率反馈方式控制，其中，所述光功率反馈方法包括：

所述半导体激光器中的光电探测元件PD接收到激光二极管LD的部分光功率产生光电流；

所述光电流经过所述电流-电压转换输入至比较电路的反向输入端，其中，所述比较电路的正向输入端为偏置设定模块产生的标准电平，所述标准电平用于决定所述激光二极管LD的稳定工作点；

所述比较电路根据输入端的电压，输出反馈电压，通过所述稳压模块滤除噪声，改变所述激光二极管LD阴极的直流电压，形成光功率反馈环路，进而控制所述激光二极管LD阳极与阴极之间的电势差，从而实时调整所述激光二极管LD的驱动电流。

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