CN115826157A - 一种光模块的背光监控电路及光模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光模块的背光监控电路及光模块，该光模块的背光监控电路包括数字诊断单元、多个激光器以及至少一个背光监控二极管，至少一个背光监控二极管用于同时接收两个激光器的背光，并产生光生电流，各个背光监控二极管均与数字诊断单元的一个ADC管脚连接，数字诊断单元用于通过一个ADC管脚采集背光监控二极管的光生电流总和I_pd总，并判断采集的背光监控二极管的光生电流总和I_pd总的变化量是否超过设定的波动范围，若否，则表明每个激光器状态都正常，若是，则表明有激光器状态异常。本发明在只占用一个MCU的ADC管脚的情况下，实现对多路激光器光功率的监控，其可以节省硬件资源占用，简化PCB的布板空间，在光路上，减少了PD的数量。

Description

一种光模块的背光监控电路及光模块

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种光模块的背光监控电路及光模块。

背景技术

在光模块中，通常需要监控激光器的发光功率，从而实时了解激光器的工作状态是否正常。在传统的光模块中，拿100G LR4举例来讲，如图1所示，在4路并行的激光器LD1、LD2、LD3和LD4的背光面，分别放置了一个背光监控光电二极管MPD，MPD在接收到光后，会产生光生电流，电流通路流向为VCC->PD_n->R_n->地，其中n分别代表1、2、3、4，从而在R_n上会产生一个电压MPD_n，然后MPD_n分别接入MCU的ADC_n，这样就可以通过MCU的ADC采样功能，实时获取PD_n的电流大小，从而实现对激光器LD_n的发光监控。

如今的高速光模块的内部空间十分紧张，尤其是光模块尺寸越来越小，MCU资源和PCB布板也越来越紧张。以上的做法需要占用MCU的4路ADC管脚，显然这是十分浪费的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种光模块的背光监控电路及光模块，在只占用一个MCU的ADC管脚的情况下，实现对多路激光器光功率的监控，其可以节省硬件资源占用，简化PCB的布板空间，在光路上，减少了PD的数量。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明公开了一种光模块的背光监控电路，包括数字诊断单元、多个激光器，还包括至少一个背光监控二极管，至少一个背光监控二极管用于同时接收两个激光器的背光，并产生光生电流，各个背光监控二极管均与数字诊断单元的一个ADC管脚连接，所述数字诊断单元用于通过一个ADC管脚采集背光监控二极管的光生电流总和，并根据采集的背光监控二极管的光生电流总和计算背光监控二极管的光生电流总和的变化量，将采集的背光监控二极管的光生电流总和的变化量与设定的波动范围进行比较，当采集的背光监控二极管的光生电流总和的变化量超过设定的波动范围时，判断出是否有通道的激光器状态异常。

进一步地，当一个背光监控二极管用于同时接收两个激光器的背光时，该背光监控二极管与对应的两个激光器分别位于一等腰三角形的三个顶点处，其中，两个激光器分别对应该等腰三角形的两个底角，背光监控二极管对应该等腰三角形的顶角，且背光监控二极管对应两个激光器的背光面，使该背光监控二极管可同等强度地接收到两个激光器的背光。

进一步地，本发明的的背光监控电路还包括至少一个采样电阻，采样电阻与背光监控二极管一一对应，各个背光监控二极管的正极与对应的采样电阻的一端连接，该采样电阻的另一端接地；每个采样电阻的两端并联有电容。

进一步地，当采样电阻为多个时，多个采样电阻的阻值各不相同。

优选地，R2＝k*R1，依次类推。

多个背光监控二极管的负极连接电源正极。

进一步地，各个背光监控二极管的正极均与数字诊断单元的一个ADC管脚连接，各个背光监控二极管的负极均与电感的一端连接，电感的另一端连接电源VCC。

进一步地，所述数字诊断单元为具有ADC功能的MCU。

进一步地，当采集的背光监控二极管的光生电流总和的变化量超过设定的波动范围时，则数字诊断单元判断出有通道的激光器状态异常，否则判断出每个通道的激光器状态都正常。

进一步地，当背光监控二极管的光生电流总和I_pd总的变化量超过设定的波动范围时，数字诊断单元用于依次判断各个通道的激光器是否异常，找到异常的通道，判断第n通道的激光器是否异常时，具体步骤如下：

给定第n通道的激光器的偏置电流为I_b1，其余通道的激光器的偏置电流为I_b0，各个通道的激光器同时发光，数字诊断单元采样得到I_pd总1；

给定第n通道的激光器的偏置电流为I_b2，其余通道的激光器的偏置电流为I_b0，各个通道的激光器同时发光，数字诊断单元采样得到I_pd总2；

计算第n通道的Ipd的变化率Kn′为：

将计算得到的Kn′与预设的Kn进行比较，当Kn′与Kn的差值在设定的允许的范围内，则判断出第n通道的激光器状态正常，否则，判断出第n通道的激光器状态异常。

进一步地，数字诊断单元用于确定第n通道对应的Kn，第n通道对应的Kn的确定方法为：仅开启第n通道，分别给第n通道的激光器两个偏置电流，仅第n通道的激光器发光，数字诊断单元分别采样得到两个偏置电流对应的两个光生电流值，根据偏置电流以及对应的光生电流值，用一次线性函数进行拟合，求出第n通道对应的Kn。

进一步地，当判断出第n通道的激光器状态异常时，数字诊断单元用于计算出该通道的激光器的发射光功率Pn′并上报，该通道的激光器的发射光功率Pn′的计算公式为：

其中，kn为第n通道光功率校准时得到的斜率，Pn为光模块正常工作时第n通道的光功率。

本发明还公开了一种光模块，采用了如上所述的背光监控电路。

本发明至少具有如下有益效果：本发明采用上述方案，在只占用一个MCU的ADC管脚的情况下，实现对多路激光器光功率的监控，其可以节省硬件资源占用，简化PCB的布板空间。

在光路上，本发明的每个背光监控二极管与对应的两个激光器分别位于一等腰三角形的三个顶点处，其中，两个激光器分别对应该等腰三角形的两个底角，背光监控二极管对应该等腰三角形的顶角，且背光监控二极管对应两个激光器的背光面，使该背光监控二极管可同等强度地接收到两个激光器的背光，本发明采用上述方案，减少了PD的数量，降低了BOM成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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它的附图。

图1为传统光模块的背光监控电路的电路图；

图2为本发明实施例提供的光模块背光监控电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。

参见图2，本发明实施例提供一种光模块的背光监控电路，包括数字诊断单元、多个激光器以及至少一个背光监控二极管，至少一个背光监控二极管用于同时接收两个激光器的背光，并产生光生电流，各个背光监控二极管均与数字诊断单元的一个ADC管脚连接，所述数字诊断单元用于通过一个ADC管脚采集背光监控二极管的光生电流总和，并根据采集的背光监控二极管的光生电流总和计算背光监控二极管的光生电流总和的变化量，将采集的背光监控二极管的光生电流总和的变化量与设定的波动范围进行比较，当采集的背光监控二极管的光生电流总和的变化量超过设定的波动范围时，判断出是否有通道的激光器状态异常。

每个背光监控二极管可同等强度地接收到两个激光器的背光。

进一步地，当采集的背光监控二极管的光生电流总和的变化量超过设定的波动范围时，则数字诊断单元判断出有通道的激光器状态异常，否则判断出每个通道的激光器状态都正常。

进一步地，当背光监控二极管的光生电流总和I_pd总的变化量超过设定的波动范围时，数字诊断单元用于依次判断各个通道的激光器是否异常，找到异常的通道，判断第n通道的激光器是否异常时，具体步骤如下：

给定第n通道的激光器的偏置电流为I_b1，其余通道的激光器的偏置电流为Ib0，各个通道的激光器同时发光，数字诊断单元采样得到I_pd总1；

给定第n通道的激光器的偏置电流为I_b2，其余通道的激光器的偏置电流为Ib0，各个通道的激光器同时发光，数字诊断单元采样得到I_pd总2；

计算第n通道的Ipd的变化率Kn′为：

将计算得到的Kn′与预设的Kn进行比较，当Kn′与Kn的差值在设定的允许的范围内，则判断出第n通道的激光器状态正常，否则，判断出第n通道的激光器状态异常。

进一步地，数字诊断单元用于确定第n通道对应的Kn，第n通道对应的Kn的确定方法为：仅开启第n通道，分别给第n通道的激光器两个偏置电流，仅第n通道的激光器发光，数字诊断单元分别采样得到两个偏置电流对应的两个光生电流值，根据偏置电流以及对应的光生电流值，用一次线性函数进行拟合，求出第n通道对应的Kn。

进一步地，当判断出第n通道的激光器状态异常时，计算出该通道的激光器的发射光功率Pn′并上报，该通道的激光器的发射光功率Pn′的计算公式为：

其中，kn为第n通道光功率校准时得到的斜率，Pn为光模块正常工作时第n通道的光功率。

kn的确定方法为：仅开启第n通道，分别给第n通道的激光器两个偏置电流，仅第n通道的激光器发光，分别用光功率计读取两个偏置电流对应的光功率，根据偏置电流以及对应的光功率，用一次线性函数进行拟合，求出第n通道对应的kn。

本发明的各个背光监控二极管均同时接收两个激光器的背光，当一个背光监控二极管用于同时接收两个激光器的背光时，该背光监控二极管与对应的两个激光器分别位于一等腰三角形的三个顶点处，其中，两个激光器分别对应该等腰三角形的两个底角，背光监控二极管对应该等腰三角形的顶角，且背光监控二极管对应两个激光器的背光面，使该背光监控二极管可同等强度地接收到两个激光器的背光。

进一步地，还包括至少一个采样电阻，采样电阻与背光监控二极管一一对应，各个背光监控二极管的正极与对应的采样电阻的一端连接，该采样电阻的另一端接地。

进一步地，当采样电阻为多个时，多个采样电阻的阻值各不相同。

优选地，R2＝k*R1，依次类推。

当发明具有四个激光器时，采样电阻为两个，分别为采样电阻R1、采样电阻R2，其中R2＝k*R1，如R2＝2*R1。

各个背光监控二极管的负极连接电源正极。

各个背光监控二极管的正极均与数字诊断单元的一个ADC管脚连接，各个背光监控二极管的负极均与电感的一端连接，电感的另一端连接电源VCC。

进一步地，每个采样电阻的两端并联有电容。

进一步地，所述数字诊断单元为具有ADC功能的MCU。

本发明的光模块的背光监控的步骤为：

光模块工作，开启所有通道，分别给定各个通道的激光器的偏置电流为I_b0，各个通道的激光器同时发光；

数字诊断单元的一个ADC管脚采集背光监控二极管的光生电流总和I_pd总，判断采集的背光监控二极管的光生电流总和I_pd总的变化量是否超过设定的波动范围，若否，则表明每个通道的激光器状态都正常，若是，则表明有通道的激光器状态异常。

背光监控二极管的光生电流总和I_pd总的变化量为：

其中，I₁为光模块正常工作时的I_pd总，I₂为实时或定期数字诊断单元获取到的I_pd总。

在模块出厂前都会进行发射端光功率校准，通过给激光器不同的偏流，分别获取两个光生电流I_pd，然后用一次函数y＝k*x+b的方式求出斜率k和常数项b，然后对光功率进行校准。

进一步地，当背光监控二极管的光生电流总和I_pd总的变化量超过设定的波动范围时，依次判断各个通道的激光器是否异常，找到异常的通道，判断第n通道的激光器是否异常时，具体步骤如下：

给定第n通道的激光器的偏置电流为I_b1，其余通道的激光器的偏置电流为I_b0，各个通道的激光器同时发光，数字诊断单元采样得到I_pd总1；

给定第n通道的激光器的偏置电流为I_b2，其余通道的激光器的偏置电流为I_b0，各个通道的激光器同时发光，数字诊断单元采样得到I_pd总2；

计算第n通道的I_pd的变化率Kn为：

将计算得到的Kn′与预设的Kn进行比较，当Kn′与Kn的差值在设定的允许的范围内，则判断出第n通道的激光器状态正常，否则，判断出第n通道的激光器状态异常。

进一步地，当判断出第n通道的激光器状态异常时，计算出该通道的激光器的发射光功率Pn′并上报，该通道的激光器的发射光功率Pn′的计算公式为：

其中，kn为第n通道光功率校准时得到的斜率，Pn为光模块正常工作时第n通道的光功率。

进一步地，第n通道对应的Kn的确定方法为：仅开启第n通道，分别给第n通道的激光器两个偏置电流，仅第n通道的激光器发光，数字诊断单元分别采样得到两个偏置电流对应的两个光生电流值，根据偏置电流以及对应的光生电流值，用一次线性函数进行拟合，求出第n通道对应的Kn。

kn的确定方法为：仅开启第n通道，分别给第n通道的激光器两个偏置电流，仅第n通道的激光器发光，分别用光功率计读取两个偏置电流对应的光功率，根据偏置电流以及对应的光功率，用一次线性函数进行拟合，求出第n通道对应的kn。

下面通过100GLR4举例对上述过程进行详细介绍。

首先，激光器的发光功率P是由偏流Ibias所决定的，η为激光器的发光效率：P＝η*Ibias，Ibias是由MCU所确定给出的，100G LR4的Ibias一般为每通道50mA左右。

100G LR4的激光器有4个通道，在正常工作时，工作电流大约是50mA，每个通道的光功率大约是2dBm(即1.6mW).在模块出厂前都会进行发射端光功率校准。

单独开启通道1，分别给通道1的激光器两个不同的偏置电流，如40mA和50mA，并且用光功率计读取对应的光功率P0和P1，然后带入y＝k*x+b，有P0＝k1*40+b1，P1＝k1*50+b1，那么由上述两个方程组，可以解出k1和b1。这样就校准了发射光功率。

同时，激光器发光时，放置在激光器背面的PD会产生光生电流I_pd，对于通道1，分别给激光器两个Ibias，比如40mA和50mA，MCU会采样得到两个I_pd0和I_pd1，然后带入y＝k*x+b，有I_pd0＝K1*40+B1，I_pd1＝K1*50+B1，那么由上述两个方程组，可以解出K1和B1，并且保存在MCU内，校准光功率。同样的方法，分别对激光器2、3、4进行校准，得到K2、K3、K4。

每个通道都有对应的kn、bn和Kn、Bn，n为通道数量。

由激光器和PD的特性可知：

P∝Ibias∝I_pd

所以，在同样发光功率的情况下，Ipd1＝0.5*Ipd2。

由上式可知，不同通道的Ipd相差较大，这样可以精确找到变化量大的通道。

具体如图2所示，和图1相比，只占用了MCU的一个管脚，对于高速光模块来讲，节省出3个管脚是非常可观的。本发明在光路上做了简化，只设置了两个背光监控二极管，分别为PD1、PD2，PD1、LD1、LD2三个光学元件分别位于一等腰三角形的三个顶点处，其中，PD1对应该等腰三角形的顶角，LD1和LD2分别对应该等腰三角形的两个底角。由于激光器的背光是发散的，背光监控二极管PD1可以同等强度地接收到激光器LD1和激光器LD2的背光。同样地，PD2、LD3、LD4三个光学元件也分别位于一等腰三角形的三个顶点处。其中，PD2对应该等腰三角形的顶角，LD3和LD4分别对应该等腰三角形的两个底角。背光监控二极管PD2可以同等强度地接收到激光器LD3和激光器LD4的背光。

图2中的R2＝2*R1，对于MCU来讲，图2中ADC采样的是2路PD光生电流之和。然后通过算法可以实现对每个激光器的光功率监控。

在4路激光器同时发光时，MCU的ADC1管脚获取的是：

Ipd总＝Ipd1+Ipd2

一般发射光功率的精度要求为每通道3dB，如果I_pd总的变化量在17％之内就说明每个通道的光功率都稳定，没有变化。如果I_pd总的变化超过此波动范围，则说明有某个或几个通道的光功率发生了比较大的变化(即说明某通道或某几个通道的光功率变化超过了精度要求)，也就是激光器的斜率发生了变化，此时需要找出相应的通道。

光模块正常工作时，四个通道同时发光，如果MCU定期获取的I_pd总的变化量在设定的允许范围(如17％，不限于17％，可根据需要设定)以内，则表明每个激光器状态都正常；如果I_pd总变化量超过设定的允许范围(如17％，不限于17％，可根据需要设定)，则表明有激光器状态异常，需要更新上报光功率的值。

由于MCU的ADC采样的是I_pd总，所以需要找到异常的通道。这时，需要在每个通道的Ibias上稍做改变，来得到Ibias和I_pd总的对应关系。分别改变某通道的偏置电流，如I_b1＝I_b0-δ，I_b2＝I_b0+δ，δ可以取2mA，但不限于2mA，然后MCU采样也会相应的变化，将此时采样的变化率分别对应与记录的K1、K2、K3、K4做比较，就可以知道此通道的光功率是否有了较大的变化，然后再做相应的上报。

具体过程如下：

1)给定4个通道的Ibias分别为48mA、50mA、50mA、50mA和52mA,50mA,50mA,50mA，MCU会采样到I_pd总0和I_pd总1，由于通道2、3、4的Ibias不变，I_pd总1和I_pd总0的差值就可以反应出通道1的光功率变化量，进而反应出I_pd的变化率，定义

有上述的校准过程可知，K表示的是Ipd和Ibias的对应关系。通过比对K1’和校准过程中的K1就可以知道通道1的激光器是否异常。如果通道1正常，则不需要操作；如果通道1异常，则需要计算出其发射光功率，此时需要用公式

P1′就是此时激光器的发射光功。

同样的方法，可以判定其它通道是否异常。

实施例二

本发明实施例还公开了一种光模块，采用了如实施例一所述的背光监控电路。

本发明在只占用一个MCU的ADC管脚的情况下，实现对多路激光器光功率的监控，在同样功能的情况下，节省了硬件资源占用，也简化了PCB的布板空间。在光路上，减少了PD的数量，降低了BOM成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光模块的背光监控电路，包括数字诊断单元、多个激光器，其特征在于：还包括至少一个背光监控二极管，至少一个背光监控二极管用于同时接收两个激光器的背光，并产生光生电流，各个背光监控二极管均与数字诊断单元的一个ADC管脚连接，所述数字诊断单元用于通过一个ADC管脚采集背光监控二极管的光生电流总和，并根据采集的背光监控二极管的光生电流总和计算背光监控二极管的光生电流总和的变化量，将采集的背光监控二极管的光生电流总和的变化量与设定的波动范围进行比较，当采集的背光监控二极管的光生电流总和的变化量超过设定的波动范围时，判断出是否有通道的激光器状态异常。

2.如权利要求1所述的光模块的背光监控电路，其特征在于：当一个背光监控二极管用于同时接收两个激光器的背光时，该背光监控二极管与对应的两个激光器分别位于一等腰三角形的三个顶点处，其中，两个激光器分别对应该等腰三角形的两个底角，背光监控二极管对应该等腰三角形的顶角，且背光监控二极管对应两个激光器的背光面，使该背光监控二极管可同等强度地接收到两个激光器的背光。

3.如权利要求1所述的光模块的背光监控电路，其特征在于：还包括至少一个采样电阻，采样电阻与背光监控二极管一一对应，各个背光监控二极管的正极与对应的采样电阻的一端连接，该采样电阻的另一端接地；每个采样电阻的两端并联有电容。

4.如权利要求3所述的光模块的背光监控电路，其特征在于：当采样电阻为多个时，多个采样电阻的阻值各不相同。

5.如权利要求1所述的光模块的背光监控电路，其特征在于：各个背光监控二极管的正极均与数字诊断单元的一个ADC管脚连接，各个背光监控二极管的负极均与电感的一端连接，电感的另一端连接电源VCC。

6.如权利要求1所述的光模块的背光监控电路，其特征在于：当采集的背光监控二极管的光生电流总和的变化量超过设定的波动范围时，则数字诊断单元判断出有通道的激光器状态异常，否则判断出每个通道的激光器状态都正常。

7.如权利要求6所述的光模块的背光监控电路，其特征在于：当背光监控二极管的光生电流总和I_pd总的变化量超过设定的波动范围时，数字诊断单元用于依次判断各个通道的激光器是否异常，找到异常的通道，判断第n通道的激光器是否异常时，具体步骤如下：

给定第n通道的激光器的偏置电流为I_b1，其余通道的激光器的偏置电流为I_b0，各个通道的激光器同时发光，数字诊断单元采样得到I_pd总1；

给定第n通道的激光器的偏置电流为I_b2，其余通道的激光器的偏置电流为I_b0，各个通道的激光器同时发光，数字诊断单元采样得到I_pd总2；

计算第n通道的Ipd的变化率Kn′为：

将计算得到的Kn′与预设的Kn进行比较，当Kn′与Kn的差值在设定的允许的范围内，则判断出第n通道的激光器状态正常，否则，判断出第n通道的激光器状态异常。

8.如权利要求7所述的光模块的背光监控电路，其特征在于：数字诊断单元用于确定第n通道对应的Kn，第n通道对应的Kn的确定方法为：仅开启第n通道，分别给第n通道的激光器两个偏置电流，仅第n通道的激光器发光，数字诊断单元分别采样得到两个偏置电流对应的两个光生电流值，根据偏置电流以及对应的光生电流值，用一次线性函数进行拟合，求出第n通道对应的Kn。

9.如权利要求1所述的光模块的背光监控电路，其特征在于：当判断出第n通道的激光器状态异常时，数字诊断单元用于计算出该通道的激光器的发射光功率Pn′并上报，该通道的激光器的发射光功率Pn′的计算公式为：

其中，kn为第n通道光功率校准时得到的斜率，Pn为光模块正常工作时第n通道的光功率。

10.一种光模块，其特征在于：采用了如权利要求1至9任一所述的背光监控电路。

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