CN112909734A - 一种高速激光器驱动电路及高速激光器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速激光器驱动电路及高速激光器系统，涉及半导体集成电路领域，高速激光器驱动电路包括电源电压产生模块、偏置电流和调制电流监控模块和驱动模块，电源电压产生模块用于提供两个稳定的电源电压；偏置电流和调制电流监控模块用于与外部的光电探测器相连，并根据光电探测器提供的光功率信号输出至少一个调制电流幅度控制信号；驱动模块包括至少一组元器件单元，每组元器件单元包括一放大器件A和一放大器件B，所述放大器件A连接所述调制电流幅度控制信号和其中一电源电压，所述放大器B连接所述调制电流幅度控制信号和另外一电源电压。本发明提供的高速激光器驱动电路，可适用于超高速信号。

Description

一种高速激光器驱动电路及高速激光器系统

技术领域

本发明涉及半导体集成电路领域，具体涉及一种高速激光器驱动电路及高速激光器系统。

背景技术

随着高清视频、电子商务等宽带业务的不断拓展，需求也不断升级，需要实现超宽带以支持实时超高清视频的传输，需要实低延时以支持实时监控和快速响应，需要实现超大容量以实现大量实时业务共存传输，从而对现有的网络系统和设备性能提出了更高的要求，使得运营商、互联网服务商等公司需要不断升级现有的网络设备。

上述网络升级业务包括：已成为全球各国竞技热点的5G网络，其无线传输速率将达Gbps，可支持智能的无人驾驶业务；阿里巴巴、腾讯、百度等公司积极推进部署的下一代超宽带、超大容量数据中心；国内运营商正在积极推进的下一代光接入网50G PON(opticalaccess network)等。

然而，为了实现上述目标，则需要更新换代现有的网络设备，例如高速激光器和光电探测器、高速电芯片、高速光/射频收发机、高速光模块、超高速和超大容量网络设备等。

但是，现有技术中的激光器驱动电路在高频方面的传输损耗较为恶劣，尤其是在激光器驱动电路和外部的激光器之间需要匹配外部元器件，导致外部元器件及寄生参数、长距离走线等因素劣化信号质量，因此，无法适用于超高速信号传输。为满足当前业务发展需求，急需研发一种可适用于超高速信号的高速激光器驱动电路。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种高速激光器驱动电路，可适用于超高速信号，且可提高信号速率以及信号传输质量。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种高速激光器驱动电路，包括：

电源电压产生模块，其用于提供两个稳定的电源电压；

偏置电流和调制电流监控模块，其用于与外部的光电探测器相连，并根据光电探测器提供的光功率信号Imon输出至少一个调制电流幅度控制信号MOD；

驱动模块，其包括至少一组元器件单元，每组元器件单元包括一放大器件A和一放大器件B，所述放大器件A连接所述调制电流幅度控制信号MOD和其中一电源电压，所述放大器B连接所述调制电流幅度控制信号MOD和另外一电源电压。

在上述技术方案的基础上，两个稳定的电源电压分别为电压VDDP、电压VDDN，且电压VDDP和电压VDDN的差值在预设的数值范围内；

所述偏置电流和调制电流监控模块还输出一偏置电流控制信号BIAS；

所述驱动模块还包括电阻R11、电阻R12、电流型数模转换器iDACB，每组元器件单元还包括一电流型数模转换器iDACM；

所述电阻R11两端分别连接电压VDDN和放大器件A的第一端，所述电阻R12两端分别连接电压VDDP和放大器件B的第一端，放大器件A的第二端连接其中一个差分数据信号IBOP，放大器件B的第二端连接另一个差分数据信号IBON，放大器件A的第三端和放大器件B的第三端均与电流型数模转换器iDACM的输出端相连，所述电流型数模转换器iDACM的输入端与一调制电流幅度控制信号MOD相连，所述电流型数模转换器iDACB的输入端与偏置电流控制信号BIAS相连，所述电流型数模转换器iDACB的输出端、放大器件A的第一端均用于与外部的激光器的阴极相连，所述放大器件B的第一端用于与外部的激光器的阳极相连。

在上述技术方案的基础上，所述电源电压产生模块包括带隙基准、放大器31、晶体管M31、晶体管M32、电阻R31、电阻R32；

所述带隙基准的输出端与放大器31的反向输入端相连，放大器31的输出端与晶体管M31的第二端、晶体管M32的第二端均相连，晶体管M31的第一端和晶体管M32的第一端均与电压VDDP相连，晶体管M32的第三端与电压VDDN相连，晶体管M31的第三端经过电阻R31后与电压VDDN相连，且电阻R32设于晶体管M31的第三端和放大器31的正向输入端之间。

在上述技术方案的基础上，所述电源电压产生模块还包括串联的电阻R33和电容31，所述电阻R33和电容31设于晶体管M31的第三端和放大器31的正向输入端之间。

在上述技术方案的基础上，所述电源电压产生模块还包括电容C32，电容C32一端与电压VDDN相连，另一端接地。

在上述技术方案的基础上，所述驱动模块包括若干组元器件单元，所有放大器件A的第一端、第二端均对应连接，所有放大器件B的第一端、第二端也均对应连接，每个电流型数模转换器iDACM的输出端对应连接一个放大器件A的第三端和一个放大器件B的第三端，且每个电流型数模转换器iDACM的输入端对应连接一个调制电流幅度控制信号MOD。

在上述技术方案的基础上，还包括输入缓冲与线性预放大电路，其用于对一对差分输入信号进行线性补偿及放大处理，得到差分数据信号IBOP和差分数据信号IBON，所述差分数据信号IBOP与放大器件A相连，所述差分数据信号IBON与放大器件B相连。

在上述技术方案的基础上，所述输入缓冲与线性预放大电路包括：

缓冲单元，其用于对一对差分输入信号进行线性补偿；

线性预放大器，其输入端与所述缓冲单元的输出端相连，其用于对补偿后的差分输入信号进行线性放大，并输出差分数据信号IBOP和差分数据信号IBON；

反馈单元，其输入端与所述线性预放大器的输出端相连，其输出端与所述线性预放大器的一个输入端相连，所述反馈单元用于实时监测差分数据信号IBOP和差分数据信号IBON的幅度，并调整输出的电压控制信号Vgain的大小，以使所述线性预放大器输出的差分数据信号IBOP和差分数据信号IBON的幅度维持在预设的范围内。

在上述技术方案的基础上，所述偏置电流和调制电流监控模块包括：

跨阻放大器，其用于与外部的光电探测器相连，且将电流型的光功率信号Imon转换成电压信号；

均值检测比较单元，其一个输入端与所述跨阻放大器的输出端相连，另一个输入端与寄存器1相连，其用于实时监测跨阻放大器输出的电压信号的平均值，并与寄存器1内的值进行比较，得到均值控制信号；

第一数字转换单元，其输入端与所述均值检测比较单元相连，其用于将均值控制信号进行数字转换，得到偏置电流控制信号BIAS；

幅度检测比较单元，其一个输入端与所述跨阻放大器的输出端相连，另一个输入端与寄存器2相连，其用于实时监测跨阻放大器输出的电压信号的平均值，并与寄存器2内的值进行比较，得到幅度控制信号；

第二数字转换单元，其输入端与所述幅度检测比较单元相连，其用于将幅度控制信号进行数字转换，得到与电流型数模转换器iDACM数量相同的调制电流幅度控制信号MOD。

本发明还提供了一种高速激光器系统，包括：

上述高速激光器驱动电路；

激光器LD，所述激光器LD的阳极与所述放大器件B的第一端相连，所述激光器LD的阴极与电流型数模转换器iDACB的输出端、放大器件A的第一端均相连；

光电探测器MPD，其与激光器LD对应设置，其用于监控激光器的光功率。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的高速激光器驱动电路，可以保障在无信号传输时，激光器LD接近导通状态，实现高速激光器驱动电路与激光器LD的直流耦合，因此，高速激光器驱动电路和激光器LD之间无需再增加其他的外部元器件，直接用PCB走线连接即可，进而可适用于超高速信号，且可提高信号速率以及信号传输质量。

附图说明

图1为本发明实施例中高速激光器驱动电路的结构示意图；

图2a为本发明实施例中放大器件的第一种结构示意图；

图2b为本发明实施例中放大器件的第二种结构示意图；

图2c为本发明实施例中放大器件的第三种结构示意图；

图2d为本发明实施例中放大器件的第四种结构示意图；

图3为本发明实施例中输入缓冲与线性预放大电路的结构示意图；

图4为本发明实施例中电源电压产生模块的结构示意图；

图5为本发明实施例中偏置电流和调制电流监控模块的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例提供了一种高速激光器驱动电路，包括电源电压产生模块、偏置电流和调制电流监控模块以及驱动模块。

电源电压产生模块用于提供两个稳定的电源电压，分别为电压VDDP、电压VDDN，且电压VDDP和电压VDDN的差值在预设的数值范围内。

偏置电流和调制电流监控模块用于与外部的光电探测器相连，并根据光电探测器提供的光功率信号Imon输出一个偏置电流控制信号BIAS和至少一个调制电流幅度控制信号MOD。

驱动模块包括电阻R11、电阻R12、电流型数模转换器iDACB、以及至少一组元器件单元，每组元器件单元包括一放大器件A、一放大器件B和一电流型数模转换器iDACM。

所述电阻R11两端分别连接电压VDDN和放大器件A的第一端，所述电阻R12两端分别连接电压VDDP和放大器件B的第一端，放大器件A的第二端连接其中一个差分数据信号IBOP，放大器件B的第二端连接另一个差分数据信号IBON，放大器件A的第三端和放大器件B的第三端均与电流型数模转换器iDACM的输出端相连，所述电流型数模转换器iDACM的输入端与一调制电流幅度控制信号MOD相连，所述电流型数模转换器iDACB的输入端与偏置电流控制信号BIAS相连，所述电流型数模转换器iDACB的输出端、放大器件A的第一端均用于与外部的激光器的阴极相连，所述放大器件B的第一端用于与外部的激光器的阳极相连。

优选地，在本发明实施例中，放大器件A和放大器件B为具有电流放大特性或具有电压放大特性的晶体管或元器件或电路模块等，放大器件的结构形式多种多样，例如，如图2a的放大器件的第一种结构示意图，放大器件为三极晶体管(Bipolar Transistor，BJT)，如图2b的放大器件的第二种结构示意图，放大器件为金属-氧化物场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)，如图2c的放大器件的第三种结构示意图，放大器件为由两个三极晶体管BJT231、BJT232和电流源I231组成的截止频率f_T倍增的器件，如图2d的放大器件的第四种结构示意图，放大器件为由两个MOSFET晶体管MN241、MN242和电流源I241组成的截止频率f_T倍增的器件等。

对应地，所述电阻R11两端分别连接电压VDDN和放大器件A的集电极，所述电阻R12两端分别连接电压VDDP和放大器件B的集电极，放大器件A的基极连接其中一个差分数据信号IBOP，放大器件B的基极连接另一个差分数据信号IBON，放大器件A的发射极和放大器件B的发射极均与数模转换器iDACM的输出端相连，所述电流型数模转换器iDACM的输入端与一调制电流幅度控制信号MOD相连，所电流型述数模转换器iDACB的输入端与偏置电流控制信号BIAS相连，所述电流型数模转换器iDACB的输出端、放大器件A的集电极均用于与外部的激光器的阴极相连，所述放大器件B的集电极用于与外部的激光器的阳极相连。

在本发明实施例中，放大器件A为激光器LD的阴极提供驱动和调制电流信号LDN，放大器件B为激光器LD的阳极提供驱动和调制电流信号LDP，电流型数模转换器iDACM为放大器件A和放大器件B提供调制电流，电阻R11和电阻R12与外部进行阻抗匹配，电阻R11和电阻R12的阻值大小与PCB上传输线的阻抗值大小一致，一般为单端25Ω或差分50Ω，电流型数模转换器iDACB为外部的激光器LD提供偏置电流Ibias。

优选地，在本发明实施例中，所述预设的数值范围为外部的激光器的导通电压范围，从而使得电压VDDP和电压VDDN的差值接近激光器的导通电压，以保障在无信号传输时，激光器LD接近导通状态，实现高速激光器驱动电路与激光器LD的直流耦合，因此，高速激光器驱动电路和激光器LD之间无需再增加其他的外部元器件，直接用PCB走线连接即可，进而可适用于超高速信号，且可提高信号速率以及信号传输质量。

更进一步地，所述驱动模块包括若干组元器件单元，所有放大器件A的第一端、第二端均对应连接，所有放大器件B的第一端、第二端也均对应连接，每个数模转换器iDACM的输出端对应连接一个放大器件A的第三端和一个放大器件B的第三端，且每个电流型数模转换器iDACM的输入端对应连接一个电流幅度控制信号MOD。

在本发明实施例中，所述驱动模块包括放大器件阵列A、放大器件阵列B、电流型数模转换器阵列，每个阵列均包含2N个元器件单元，其中N为大于等于1的正整数，即包括2N个放大器件A、2N个放大器件B和2N个提供调制电流的电流型数模转换器iDACM，2N个放大器件A分别记为放大器件A1、放大器件A2……放大器件A2N，2N个放大器件B分别记为放大器件B1、放大器件B2……放大器件B2N，2N个电流型数模转换器iDACM分别记为iDACM1、iDACM2……iDACM2N，偏置电流和调制电流监控模块对应输出一个偏置电流控制信号BIAS和2N个调制电流幅度控制信号MOD，分别记为MOD1、MOD2……MOD2N。

更进一步地，高速激光器驱动电路还包括输入缓冲与线性预放大电路，其用于对一对差分输入信号进行线性补偿及放大处理，得到差分数据信号IBOP和差分数据信号IBON。

参见图3所示，具体地，所述输入缓冲与线性预放大电路包括缓冲单元、线性预放大器和反馈单元。

缓冲单元集成CTLE(Continuous-time Linear Equalizer，连续时间线性均衡器)的功能，用于对一对差分输入信号进行线性补偿，即对前端传输路径上产生的信号损耗进行线性补偿，该对差分输入信号为INN、INP。

线性预放大器其输入端与所述缓冲单元的输出端相连，其用于对补偿后的差分输入信号进行线性放大，并输出差分数据信号IBOP和差分数据信号IBON。

反馈单元的输入端与所述线性预放大器的输出端相连，其输出端与所述线性预放大器的一个输入端相连，所述反馈单元用于实时监测差分数据信号IBOP和差分数据信号IBON的幅度，并调整输出的电压控制信号Vgain的大小，以使所述线性预放大器输出的差分数据信号IBOP和差分数据信号IBON的幅度维持在预设的范围内。

参见图4所示，具体地，所述电源电压产生模块包括带隙基准、放大器31、晶体管M31、晶体管M32、电阻R31、电阻R32。

所述带隙基准的输出端与放大器31的反向输入端相连，放大器31的输出端与晶体管M31的第二端、晶体管M32的第二端均相连，晶体管M31的第一端和晶体管M32的第一端均与电压VDDP相连，晶体管M32的第三端与电压VDDN相连，晶体管M31的第三端经过电阻R31后与电压VDDN相连，且电阻R32设于晶体管M31的第三端和放大器31的正向输入端之间。

优选地，晶体管M31、晶体管M32均为PMOS管。放大器31的输出端与晶体管M31的栅极、晶体管M32的栅极均相连，晶体管M31的源极和晶体管M32的源极均与电压VDDP相连，晶体管M32的漏极与电压VDDN相连，晶体管M31的漏极经过电阻R31后与电压VDDN相连，且电阻R32设于晶体管M31的漏极和放大器31的正向输入端之间。

在本发明实施例中，带隙基准的作用是产生一个与输入电源VCCO无关的稳定电压Vbg，放大器31、晶体管M31、晶体管M32、电阻R31、电阻R32形成一个闭环负反馈环路，以维持输出电源电压VDDN稳定不变。

更进一步地，所述电源电压产生模块还包括串联的电阻R33和电容31，所述电阻R33和电容31设于晶体管M31的第三端和放大器31的正向输入端之间。电阻R33、电容C31的作用是增加闭环负反馈环路的相位裕量和稳定性。

更进一步地，所述电源电压产生模块还包括电容C32，电容C32一端与电压VDDN相连，另一端接地。外部电容C32的作用是提高闭环负反馈环路的相位裕量和稳定性，同时滤除输出电源电压VDDN中的低频噪声。

在本发明实施例中，所述电源电压产生模块的输出电压VDDP可以是VCCO，也可以是采用与图4所示VDDN产生电路类似的原理和电路来提供。

参见图5所示，所述偏置电流和调制电流监控模块包括跨阻放大器TIA、寄存器1、均值检测比较单元、第一数字转换单元、寄存器2、幅度检测比较单元和第二数字转换单元。

跨阻放大器TIA用于与外部的光电探测器相连，且将电流型的光功率信号Imon转换成电压信号，该电压信号可表示出激光器LD出光信号的大小。

均值检测比较单元的一个输入端与所述跨阻放大器的输出端相连，另一个输入端与寄存器1相连，其用于实时监测跨阻放大器输出的电压信号的平均值，并与寄存器1内的值进行比较，得到均值控制信号。

第一数字转换单元的输入端与所述均值检测比较单元相连，其用于将均值控制信号进行数字转换，得到偏置电流控制信号BIAS。

幅度检测比较单元的一个输入端与所述跨阻放大器的输出端相连，另一个输入端与寄存器2相连，其用于实时监测跨阻放大器输出的电压信号的平均值，并与寄存器2内的值进行比较，得到幅度控制信号。

第二数字转换单元的输入端与所述幅度检测比较单元相连，其用于将幅度控制信号进行数字转换，得到与电流型数模转换器iDACM数量相同的调制电流幅度控制信号MOD。

在本发明实施例中，均值检测比较单元和均值检测比较单元形成一反馈环路，可以维持激光器LD出光信号的平均光功率在目标值附近，幅度检测比较单元和第二数字转换单元形成另一反馈环路，可以维持激光器LD出光信号的消光比(即光信号幅度)在目标值附近。

本发明实施例还提供了一种高速激光器系统，包括上述高速激光器驱动电路、激光器LD和光电探测器MPD。

所述激光器LD的阳极与所述放大器件B的第一端相连，所述激光器LD的阴极与电流型数模转换器iDACB的输出端、放大器件A的第一端均相连；光电探测器MPD与激光器LD对应设置，其用于监控激光器的光功率。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种高速激光器驱动电路，其特征在于，包括：

电源电压产生模块，其用于提供两个稳定的电源电压；

偏置电流和调制电流监控模块，其用于与外部的光电探测器相连，并根据光电探测器提供的光功率信号Imon输出至少一个调制电流幅度控制信号MOD；

驱动模块，其包括至少一组元器件单元，每组元器件单元包括一放大器件A和一放大器件B，所述放大器件A连接所述调制电流幅度控制信号MOD和其中一电源电压，所述放大器B连接所述调制电流幅度控制信号MOD和另外一电源电压。

2.如权利要求1所述的高速激光器驱动电路，其特征在于：

两个稳定的电源电压分别为电压VDDP、电压VDDN，且电压VDDP和电压VDDN的差值在预设的数值范围内；

所述偏置电流和调制电流监控模块还输出一偏置电流控制信号BIAS；

所述驱动模块还包括电阻R11、电阻R12、电流型数模转换器iDACB，每组元器件单元还包括一电流型数模转换器iDACM；

所述电阻R11两端分别连接电压VDDN和放大器件A的第一端，所述电阻R12两端分别连接电压VDDP和放大器件B的第一端，放大器件A的第二端连接其中一个差分数据信号IBOP，放大器件B的第二端连接另一个差分数据信号IBON，放大器件A的第三端和放大器件B的第三端均与电流型数模转换器iDACM的输出端相连，所述电流型数模转换器iDACM的输入端与一调制电流幅度控制信号MOD相连，所述电流型数模转换器iDACB的输入端与偏置电流控制信号BIAS相连，所述电流型数模转换器iDACB的输出端、放大器件A的第一端均用于与外部的激光器的阴极相连，所述放大器件B的第一端用于与外部的激光器的阳极相连。

3.如权利要求2所述的高速激光器驱动电路，其特征在于，所述电源电压产生模块包括带隙基准、放大器31、晶体管M31、晶体管M32、电阻R31、电阻R32；

所述带隙基准的输出端与放大器31的反向输入端相连，放大器31的输出端与晶体管M31的第二端、晶体管M32的第二端均相连，晶体管M31的第一端和晶体管M32的第一端均与电压VDDP相连，晶体管M32的第三端与电压VDDN相连，晶体管M31的第三端经过电阻R31后与电压VDDN相连，且电阻R32设于晶体管M31的第三端和放大器31的正向输入端之间。

4.如权利要求3所述的高速激光器驱动电路，其特征在于，所述电源电压产生模块还包括串联的电阻R33和电容31，所述电阻R33和电容31设于晶体管M31的第三端和放大器31的正向输入端之间。

5.如权利要求3所述的高速激光器驱动电路，其特征在于，所述电源电压产生模块还包括电容C32，电容C32一端与电压VDDN相连，另一端接地。

6.如权利要求2所述的高速激光器驱动电路，其特征在于，所述驱动模块包括若干组元器件单元，所有放大器件A的第一端、第二端均对应连接，所有放大器件B的第一端、第二端也均对应连接，每个电流型数模转换器iDACM的输出端对应连接一个放大器件A的第三端和一个放大器件B的第三端，且每个电流型数模转换器iDACM的输入端对应连接一个调制电流幅度控制信号MOD。

7.如权利要求1所述的高速激光器驱动电路，其特征在于，还包括输入缓冲与线性预放大电路，其用于对一对差分输入信号进行线性补偿及放大处理，得到差分数据信号IBOP和差分数据信号IBON，所述差分数据信号IBOP与放大器件A相连，所述差分数据信号IBON与放大器件B相连。

8.如权利要求7所述的高速激光器驱动电路，其特征在于，所述输入缓冲与线性预放大电路包括：

缓冲单元，其用于对一对差分输入信号进行线性补偿；

线性预放大器，其输入端与所述缓冲单元的输出端相连，其用于对补偿后的差分输入信号进行线性放大，并输出差分数据信号IBOP和差分数据信号IBON；

反馈单元，其输入端与所述线性预放大器的输出端相连，其输出端与所述线性预放大器的一个输入端相连，所述反馈单元用于实时监测差分数据信号IBOP和差分数据信号IBON的幅度，并调整输出的电压控制信号Vgain的大小，以使所述线性预放大器输出的差分数据信号IBOP和差分数据信号IBON的幅度维持在预设的范围内。

9.如权利要求1所述的高速激光器驱动电路，其特征在于，所述偏置电流和调制电流监控模块包括：

跨阻放大器，其用于与外部的光电探测器相连，且将电流型的光功率信号Imon转换成电压信号；

均值检测比较单元，其一个输入端与所述跨阻放大器的输出端相连，另一个输入端与寄存器1相连，其用于实时监测跨阻放大器输出的电压信号的平均值，并与寄存器1内的值进行比较，得到均值控制信号；

第一数字转换单元，其输入端与所述均值检测比较单元相连，其用于将均值控制信号进行数字转换，得到偏置电流控制信号BIAS；

幅度检测比较单元，其一个输入端与所述跨阻放大器的输出端相连，另一个输入端与寄存器2相连，其用于实时监测跨阻放大器输出的电压信号的平均值，并与寄存器2内的值进行比较，得到幅度控制信号；

第二数字转换单元，其输入端与所述幅度检测比较单元相连，其用于将幅度控制信号进行数字转换，得到与电流型数模转换器iDACM数量相同的调制电流幅度控制信号MOD。

10.一种高速激光器系统，其特征在于，包括：

如权利要求1至9任一项所述的高速激光器驱动电路；

激光器LD，所述激光器LD的阳极与所述放大器件B的第一端相连，所述激光器LD的阴极与电流型数模转换器iDACB的输出端、放大器件A的第一端均相连；

光电探测器MPD，其与激光器LD对应设置，其用于监控激光器的光功率。

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