CN111819742B - 光学通信中效率改善的激光二极管驱动器 - Google Patents
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Abstract
电路和方法为驱动激光二极管的激光驱动器提供了净空电压，使得激光二极管向光通信设备提供信号。该电路包含：从激光驱动器接收净空电压的净空控制电路，该净空控制电路基于净空电压生成受控电压，以及DC‑DC转换器，其从净空控制电路接收受控电压、基于受控电压生成电压Vout，并将电压Vout作为输入施加至激光二极管。净空控制电路和DC‑DC转换器在反馈回路中与激光二极管相连，以向激光二极管连续地提供电压Vout，并且DC‑DC转换器调整电压Vout以补偿激光二极管随时间的老化特性或温度漂移，从而为激光驱动器保持最佳净空电压。
Description
优先权要求
本申请要求于2017年10月4日提交的、题为“光学通信中效率改善的激光二极管驱动器(EFFICIENCY IMPROVED DRIVER FOR LASER DIODE IN OPTICAL COMMUNICATION)”的第62/568,248号美国临时专利申请的优先权和权益。
技术领域
本发明涉及激光二极管和驱动激光二极管的方法。
背景技术
已经发现激光二极管在光纤通信系统中作为光发射器的使用越来越多。在这种系统中，激光二极管通常由来自片上激光驱动器的恒定电流驱动。在某些光传输系统中，可以使用外部DC到DC转换器从主输入电压为激光二极管提供固定的电源电压。然而，此解决方案并不理想。例如，固定的DC转换器输出不能补偿激光二极管随时间的老化特性或温度漂移。此外，如果激光二极管在高频下运行，则激光驱动器中的调制电流可能以高速改变，并且当或多或少的调制电流流入激光器并且其两端的压降相应改变时，DC转换器将无法调节电源电压来为激光二极管提供足够的净空电压(headroom voltage)。
可以将在激光驱动器上或其内部消耗的功率计算为恒定电流乘以其两端的净空。不幸的是，在典型系统中净空电压并未被最佳化，从而浪费了功率。如果可以为激光二极管确定并施加最佳且不断更新的净空电压，则将改善整个系统的效率。除了效率方面的优点外，最佳且不断更新的净空电压还将自动补偿激光二极管使用寿命内的I-V曲线漂移以及由于温度变化而导致的改变，从而保持偏置电流恒定。
发明内容
本发明的实施例的各方面包含为驱动激光二极管的激光二极管驱动器提供净空电压的电路和方法，所述激光二极管向光通信设备提供信号。所述电路包含：从激光驱动器接收净空电压的净空控制电路；净空控制电路基于净空电压和激光驱动器的调制电流生成受控电压Vc；以及直流-直流(DC-DC)转换器，从净空控制电路接收受控电压并基于受控电压生成电压Vout，并且将电压Vout作为电源施加至激光二极管。净空控制电路和DC-DC转换器在反馈回路中与激光二极管相连接，以向激光二极管连续地提供电压Vout，并且净空控制电路控制电压Vc以补偿激光驱动器中由于高频调制电流而导致的高频反射，从而为激光驱动器维持最佳净空电压。
在本发明的实施例的其他方面，DC-DC转换器被配置为基于净空控制电路的输入来生成控制电压，以及基于输入的值来生成驱动器信号以调整电压Vout。DC-DC转换器可以将控制电压与锯齿波形进行比较，从而基于输入的值来生成驱动器信号以调整电压Vout。可以实施其他的DC-DC转换器实施方式和/或控制方案。在一个实施例中，DC-DC转换器包含由驱动器信号控制多个开关，以根据需要调整电压Vout。
还可以想到，净空控制电路包含至少一个可编程电流源和/或至少一个可编程电阻器。在本发明的实施例的其他方面，将至少一个可编程电流源和/或至少一个可编程电阻器的值设置为控制激光驱动器的净空电压。在一种变型中，将至少一个可编程电流源和/或至少一个可编程电阻器的值的改变设置为控制激光驱动器的净空电压并控制供应至激光二极管的电压Vout。
在本发明的实施例的其他方面，一种电路为驱动激光二极管的激光驱动器提供净空电压，该激光二极管被配置为向光通信设备提供信号。该电路包括被连接在激光二极管的输出与激光驱动器的输入之间的反馈回路电路，使得该反馈回路被配置为基于净空电压生成电压Vout并将该电压Vout施加至激光器的输入。反馈回路电路被配置为生成Vout来补偿激光二极管随时间的老化特性和/或温度漂移，从而为激光驱动器维持最佳净空电压。
还考虑了该电路，使得反馈回路电路包括具有被连接以从激光驱动器的输出接收净空电压的净空控制电路。净空控制电路被配置为基于净空电压来生成受控电压。并且，DC-DC转换器被配置为将受控电压转换成电压Vout，使得电压Vout被施加至激光二极管的输入。在一个实施例中，DC-DC转换器被配置为基于来自净空控制电路的受控电压来生成控制电压，以及基于控制电压的值来生成驱动器信号以调整电压Vout。DC-DC转换器可以将控制电压与锯齿波形进行比较，从而基于控制电压的值来生成驱动器信号以调整电压Vout。
在一个实施例中，DC-DC转换器包含由驱动器信号控制的多个开关，以根据需要调整电压Vout。净空控制电路可以包含至少一个可编程电流源和/或至少一个可编程电阻器。在一种变型中，将至少一个可编程电流源和/或至少一个可编程电阻器的值设置为控制激光驱动器的净空电压。将至少一个可编程电流源和/或至少一个可编程电阻器的值的改变设置为可以控制激光驱动器的净空电压并控制输入至激光二极管的电压Vout。
还公开了一种控制激光驱动器的净空电压的方法，其中激光二极管由激光驱动器驱动，并且净空控制电路被连接以接收激光驱动器的净空电压，而DC-DC转换器连接以接收从净空控制电路向外的输出，并将电压Vout输出至激光二极管的输入。该方法包括：利用净空控制电路来基于净空电压生成受控电压，以及利用DC-DC转换器来基于受控电压生成电压Vout，然后将电压Vout作为输入施加至激光二极管，使得DC-DC转换器调整电压Vout，以补偿激光二极管随时间的老化特性或温度漂移，从而为激光驱动器维持最佳净空电压。
在一个实施例中，该方法还包括：基于来自净空控制电路的受控电压来生成控制电压，以及基于控制电压的值来生成驱动器信号以调整电压Vout。该方法可以进一步包括将控制电压与锯齿波形进行比较以生成驱动器信号，从而调整电压Vout。在一种配置中，该方法还包括控制DC-DC转换器中的多个开关以调整电压Vout。该方法还可以设置净空控制电路中的至少一个可编程电流源和/或至少一个可编程电阻器的值，以将净空电压设置为期望的值。
通过审查以下附图和详细描述，本发明的其他系统、方法、特征和优点对于本领域技术人员将是显而易见的或将变得显而易见。旨在将所有这种附加的系统、方法、特征和优点包含在本说明书内、本发明的范围内，并由所附权利要求书保护。
附图说明
附图中的组件不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本发明的原理上。在附图中，贯穿不同的视图，相似的附图标记表示对应的部分。
图1示出了根据本发明的实施例的用于为激光二极管提供电压的电路的框图，所述激光二极管向光纤提供信号。
图2示出了根据本发明的实施例的用于向激光二极管提供电压的DC-DC转换器。
图3示出了根据本发明的实施例的用于提供具有最佳净空的高速电流信号以驱动激光二极管的激光二极管驱动器和相关电路的示意图。
图4示出了根据本发明的实施例的净空控制电路(REGREF)和图3(其中详细示出了关联电路)的关联电路的示意图。
图5示出了根据本发明的实施例的流程图。
图6示出了当变化可编程电流源I2时获得的不同的Vout、Vheadroom和DeltaVheadroom值的测试结果。
图7示出了当变化可编程电流源I1时获得的不同的Vout、Vheadroom和DeltaVheadroom值的测试结果。
具体实施方式
在下文描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的实施例的更彻底的描述。然而，对于本领域的技术人员将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其他情况下，没有详细描述公知的特征，以免模糊本发明的实施例。
图1示出了用于向激光二极管102提供最佳净空的电路100的框图。图1的激光二极管102可以用于在光通信中提供信号(诸如向光纤104提供信号)，例如，用于自由空间通信。然而，激光二极管102的其他用途也可以与本发明的优选实施例一起使用。
净空(headroom)在此定义为电源电压与沿单个电路路径的各个电压降之和之间的差。如图1所示，用于激光驱动器的净空将是施加至激光二极管的电压(Vout)减去激光二极管以及与布置在激光二极管102与Vout之间的驱动器相关联的任何电路两端的压降。诸如图3所示的npn晶体管304和305的激光驱动器通常可能需要约0.7V的净空。
如果激光二极管输入(Vout)的电压为3.3伏(如通过SFP+高速电接口标准SFF-8431为VccT所定义的)，则由于上述电压降增加，激光驱动器的净空可能不够。因此，本发明的实施例连续地调节电压Vout，从而为激光驱动器提供最佳净空。
另外，激光驱动器212在通过将电流脉冲发送至激光二极管102、202中(通常使用具有非常尖锐边沿的方波信号)来接通和关断激光二极管102时以高频进行操作。在接通和关断激光器时，电路中的电流被发送通过激光二极管202(当接通激光二极管时)或通过图3的电路分支(当关断激光二极管时)，所述图3的电路分支包含双极晶体管304。
然而，由于高频效应，当施加方波脉冲时，开始时仅施加负载的特征阻抗(例如，在DML激光器的情况下为25ohm(欧姆))，因为信号尚未沿着传输路径传播，但当信号沿着传输线传播并且被反射回来时，就会出现一个附加的电压峰值，该电压峰值通常等于调制电流Imod乘以激光器的等效电阻Req1。激光器的Req1取决于激光器的物理规格和制造特性以及光学子组件结构(通向激光器的键合线、将激光驱动器板连接至激光器的柔性电缆等)。该峰值电压通常约为1V。在方波的边沿通过之后，现在出现连续模式类型的条件，并且电流流入激光二极管，并且激光二极管202两端的压降等于激光器的二极管电压加上激光器的直流电阻乘以电流。激光二极管的直流电阻小于激光二极管的Reql(激光二极管的高频电阻)。为了使驱动器在激光二极管的关断与接通之间的过渡期间不被压缩(compressed)，由于额外的峰值电压，因此需要施加比纯DC操作更高的电压。
如更详细地示出了激光驱动器212的图3所示，在典型的DML应用中，当考虑高频效应时，考虑到激光二极管202和与激光驱动器212相关联的电路两端的关联电压降，Vout必须为约4V或更高，以向激光驱动器的n-p-n晶体管304、305提供足够的净空。对于一个极端的示例而言，安全开关306可具有约0.15V的电压降，电路板和铁氧体电压降可约为0.1V，激光二极管202两端的电压降可约为2.0V，并且如上所述，从传输线反射回的峰值电压可约为1.0V。因此，为了提供所需的约0.7V的净空电压，Vout应为约0.15V+0.1V+2.0V+0.7V+1.0V，或约4.0V左右。这将证明使用带有3.3V电源的模块是有问题的。因此，本发明的实施例能够针对最坏的情况提供近似4.0V或更高的Vout。
图1的用于向激光二极管102提供最佳净空的电路100包含REGREF 106和DC-DC转换器108。REGREF 106是向DC-DC转换器108提供受控电压的净空控制电路。DC-DC转换器108被配置为将REGREF 106提供的电压转换为电压Vout，该电压Vout用作激光二极管102的输入。数字信号处理110将监测激光二极管的性能并进行处理以将适当信号发送至DC-DC转换器108以用于调制输出电压Vout，从而能够以低错误率将数据提供给光纤104。
REGREF 106从数字信号处理110接收数字命令，并且从激光驱动器112的输出接收输入的电压Vheadroom，该电压可以在反馈回路中用来调节作为输入施加至激光二极管102的电压Vout。可以通过REGREF 106来调整激光驱动器的净空电压，以提供期望的净空电压并自动补偿调制电流的改变。
激光驱动器112、212调制激光二极管102中的电流从而以28Gbps(千兆比特每秒)传输光信号，尽管也可以使用其他速度来传输。激光二极管102、202所需的平均电流作为温度以及老化效应的函数而改变。激光二极管102两端的电压降将相应地改变。DC-DC转换器108应对或响应由激光驱动器112相对于激光二极管102的失配阻抗产生的非常高的频率反射。该反射取决于系统中起作用的阻抗(特别是激光键合电感)，并且对于给定的系统而言是相当恒定的。这里将其称为等效激光电阻或Req1。这些反射也与调制电流(Imod)成比例。
激光驱动器112可以是DML(直接调制激光)驱动器。为了保证DML驱动器的性能，净空应为：
Vheadroom＝Vld_min+Imod*Reql (1)
其中Vld_min是在激光驱动器的输出处保证性能的最小直流电压(这通常由设计确定，大约为0.7V的量级)，Reql是激光二极管102、202的等效阻抗，该阻抗与来自传输线的反射成比例，以及Imod是激光二极管102中的调制电流。如上所述，Req1*Imod通常约为1.0V。
激光驱动器112中的功耗(power dissipation)可以如下面的公式(2)计算。公式(2)表明，功耗(Pdiss)等于净空电压(Vheadroom)乘以平均调制电流(Iave)。如果净空电压过低，则激光驱动器性能将会遭受影响，并且错误率将会增加。如果净空电压过高，则不仅功耗将会不理想，而且激光驱动器112中使用的高频双极晶体管304会有击穿的风险。
Pdiss＝Vheadroom*Iave (2)
DC-DC转换器108的更多细节及其与REGREF 206、激光二极管202和激光驱动器212的连接在图2中示出。DC-DC转换器108将电压Vout输出至由激光驱动器212驱动的激光二极管202。REGREF206调节在其输入处接收的电压，以向误差放大器EA1 213输出电压，其中在EA1 213的正输入处施加0.4V的电压以产生控制电压Vc。
锯齿生成器218生成锯齿波形Vsaw.bck和Vsaw.bst，它们在模式选择器214的控制下被选择以输出锯齿波形Vsaw。锯齿波形可以是2.5MHz的锯齿波形，尽管也可以使用其他波形。在PWM生成器216中将锯齿波形与PWM生成器216中的Vc进行比较，以生成驱动器220使用的PWM调制信号217，从而生成PWM调制信号A、B、C和D，所述PWM调制信号用于控制晶体管222、224、226和228来产生期望的Vout。晶体管222、224、226和228的适当控制用于根据需要升高或降低Vout，使得能够在近似2.0V至4.5V之间提供Vout。
REGREF 106、206将调节净空电压，以自动补偿激光二极管202随使用周期的I-V曲线漂移，并补偿温度改变以保持偏置电流恒定。例如，如果由于温度改变或由于随时间的漂移而使激光二极管202两端的电压降发生改变，则激光驱动器的输出处的电压(Vheadroom)将会改变，并且可能变得过低或过高以提供具有最佳性能的净空。例如，如果电压Vheadroom由于温度改变和激光二极管202两端的较大电压降而降低了，则REGREF 206的输出处和误差放大器EA1 213的输入处的电压将会降低，从而导致控制电压Vc改变。改变的控制电压Vc将会导致改变的Vout被施加至激光二极管202。
在图4中更详细地示出了REGREF 206，及其与激光二极管202、激光驱动器212和DC-DC转换器的连接。REGREF 206包含误差放大器EA2和一组可编程电阻器R1 410和R2 414以及可编程电流源I1 406和I2412。将激光驱动器212处的净空电压Vheadroom输入至误差放大器EA2的正输入，并且将在I1 406的输出处生成的电压(I1*R1)输入至误差放大器EA1213的负输入。在误差放大器EA2 408的输出处的电压为Vref+I2*R2。当通过DC-DC转换器闭合反馈环路时，电压Vout将以满足公式(3)的方式进行自调节：
Vheadroom＝Vref+R2*I2+R1*I1 (3)
I1用于生成电压(I1*R1)，当将该电压加到R2*I2和EA1处的Vref时，将产生激光驱动器进行操作所需的最小电压Vld_min，如公式(4)所示，其中I1和R1保持恒定。用于激光驱动器操作的该最小电压通常约为0.7V。
Vld_min＝R2*I2+Vref (4)
Imod*Reql+I1*R1 (5)
重要的是，I1被配置为跟踪激光驱动器212的调制电流的改变。这可以通过许多方式来实现，诸如使用监测电路监测激光驱动器212的调制电流的改变，其中所述监测电路被配置为在可编程电流源I1 406中进行对应的或成比例的改变。
在闭环操作中，REGREF 106、206将调整Vc并因此调整Vout以确保公式(3)有效，而不管激光二极管操作电压(可能随温度/老化而改变)以及由于电路板/铁氧体电阻导致的其他IR压降和安全开关的电压降(参见图3)如何。
图5示出了根据本发明实施例的流程图。在步骤502中，净空控制电路REGREF基于净空电压Vheadroom来生成受控电压。在步骤504中，DC-DC转换器基于从净空控制电路接收的受控电压来生成电压Vout。
在步骤506中，将电压Vout作为输入施加至激光二极管，其中DC-DC转换器调整电压Vout以补偿激光二极管随时间的老化特性或温度漂移，从而为激光驱动器维持最佳净空电压。
图6示出了净空控制电路REGREF 206的测试结果，其中改变了控制位I2_ctrl[2:0]，该控制位在R1、I1和R2保持恒定的情况下改变在可编程电流源I2 412处注入的电流。如图6所示，每个步骤都会将Vout和Vheadroom改变约100mV。这允许本发明的实施例的用户通过调节可编程电流源I2 412来设置期望的净空Vheadroom。可以根据需要使用不同的电流来产生更高或更低的净空Vheadroom。
图7示出了净空控制电路REGREF 206的测试结果，其中改变了施加在可编程电流源I1 406处的注入电流。该测试将R1设置为11K欧姆，并在I2和R2保持恒定的情况下改变I1的值。I1每改变3.5A，净空电压Vheadroom就会改变约38mV。这允许本发明的实施例的用户通过调节可编程电流源I1406来设置期望的净空Vheadroom。可以根据需要使用不同的电流来产生更高或更低的净空Vheadroom。
尽管已经描述了本发明的各种实施例，但是对于本领域的普通技术人员将显而易见的是，在本发明的范围内的更多的实施例和实施方式是可能的。另外，本文所描述的各种特征、元件和实施例可以要求权利或以任何组合或布置来组合。
Claims (20)
1.一种用于向由激光驱动器驱动的激光二极管提供具有净空电压的电压Vout的电路，所述激光二极管被配置为向光通信设备提供信号，所述电路包括：
净空控制电路，其具有被连接以从所述激光二极管与所述激光驱动器之间的连接接收所述净空电压的输入，所述净空控制电路被配置为基于所述净空电压和所述激光驱动器的调制电流来生成受控电压Vc；以及
DC-DC转换器，其被连接以从所述净空控制电路接收所述受控电压Vc并基于所述受控电压Vc来生成所述电压Vout，并且将所述电压Vout作为输入施加至所述激光二极管，
其中，所述净空控制电路和所述DC-DC转换器在反馈回路中与所述激光二极管相连接，以向所述激光二极管连续地提供所述电压Vout，并且所述净空控制电路控制所述电压Vc，使得所述净空控制电路补偿所述激光驱动器中由所述激光驱动器相对于所述激光二极管的失配阻抗产生的高频反射，以便为所述激光驱动器维持净空电压。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述DC-DC转换器被配置为基于来自所述净空控制电路的受控电压来生成控制电压，以及基于所述控制电压的值来生成驱动器信号以调整所述电压Vout。
3.根据权利要求2所述的电路，其中，所述DC-DC转换器将所述控制电压与锯齿波形进行比较，以基于所述控制电压的值来生成所述驱动器信号以调整所述电压Vout。
4.根据权利要求1所述的电路，其中，所述DC-DC转换器包含由所述驱动器信号控制的多个开关，以根据需要调整所述电压Vout。
5.根据权利要求1所述的电路，其中，所述净空控制电路包含至少一个可编程电流源和/或至少一个可编程电阻器。
6.根据权利要求5所述的电路，其中，所述至少一个可编程电流源和/或所述至少一个可编程电阻器的值被设置为控制所述激光驱动器的净空电压。
7.根据权利要求6所述的电路，其中，所述至少一个可编程电流源和/或所述至少一个可编程电阻器的值的改变被设置为控制所述激光驱动器的净空电压以及控制输入至所述激光二极管的所述电压Vout。
8.一种用于为驱动激光二极管的激光驱动器提供净空电压的电路，所述激光二极管被配置为向光通信设备提供信号，所述电路包括：
反馈回路电路，其连接在所述激光二极管的输出与所述激光驱动器的输入之间，所述反馈回路被配置为基于所述净空电压来生成电压Vout，并且将所述电压Vout施加至所述激光二极管的输入，其中所述反馈回路电路被配置为生成Vout以补偿所述激光驱动器中由所述激光驱动器相对于所述激光二极管的失配阻抗产生的高频反射，以便为所述激光驱动器维持净空电压。
9.根据权利要求8所述的电路，其中，所述反馈回路电路包括：
净空控制电路，其具有被连接以从所述激光驱动器的输出接收所述净空电压的输入，所述净空控制电路被配置为基于所述净空电压生成受控电压；以及
DC-DC转换器，其被配置为将所述受控电压转换为所述电压Vout，所述电压Vout被施加至所述激光二极管的输入。
10.根据权利要求9所述的电路，其中，所述DC-DC转换器被配置为基于来自所述净空控制电路的受控电压来生成控制电压，以及基于所述控制电压的值来生成驱动器信号以调整所述电压Vout。
11.根据权利要求10所述的电路，其中，DC-DC转换器将所述控制电压与锯齿波形进行比较，以基于所述控制电压的值来生成所述驱动器信号以调整所述电压Vout。
12.根据权利要求8所述的电路，其中，所述DC-DC转换器包含由所述驱动器信号控制的多个开关，以根据需要调整所述电压Vout。
13.根据权利要求8所述的电路，其中，所述净空控制电路包含至少一个可编程电流源和/或至少一个可编程电阻器以及误差和误差放大器。
14.根据权利要求13所述的电路，所述至少一个可编程电流源和/或所述至少一个可编程电阻器的值被设置为控制所述激光驱动器的净空电压。
15.根据权利要求14所述的电路，其中，所述至少一个可编程电流源和/或所述至少一个可编程电阻器的值的改变被设置为控制所述激光驱动器的净空电压以及控制输入至所述激光二极管的所述电压Vout。
16.一种控制激光驱动器的净空电压的方法，所述激光二极管由激光驱动器驱动，净空控制电路被连接以接收所述激光驱动器的所述净空电压，DC-DC转换器被连接以接收从所述净空控制电路向外的输出并向所述激光二极管的输入输出电压Vout，所述方法包括：
利用所述净空控制电路来基于所述净空电压生成受控电压Vc；以及
利用所述DC-DC转换器来基于所述受控电压Vc生成电压Vout，并将所述电压Vout作为输入施加至所述激光二极管，其中所述净空控制电路调整所述电压Vout以补偿所述激光驱动器中由所述激光驱动器相对于所述激光二极管的失配阻抗产生的高频反射，以便为所述激光驱动器维持净空电压。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括基于来自所述净空控制电路的所述受控电压来生成控制电压，以及基于所述控制电压的值来生成驱动器信号以调整所述电压Vout。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括将所述控制电压与锯齿波形进行比较以生成所述驱动器信号，以便调整所述电压Vout。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括控制所述DC-DC转换器中的多个开关，以调整所述电压Vout。
20.根据权利要求16所述的方法，还包括设置所述净空控制电路中的至少一个可编程电流源和/或至少一个可编程电阻器的值，以将所述净空电压设置为期望的值。
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