CN116232468A - 控制激光器调制的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本公开一个方面涉及控制激光器调制的方法和系统。提供了一种系统，其中信息在突发中传输，包括：耦合到激光二极管的驱动电路，被配置为在启动阶段中向激光二极管施加第一驱动电流和随后的不同的第二驱动电流，使得激光二极管提供第一和第二光学输出；补偿电流源，被配置为提供与第一和第二驱动电流相关的电流，并且还将流过连接到所述激光二极管的至少一个阻抗的组合电流维持基本恒定；光学传感器，提供与第一光学输出对应的第一传感器输出和与第二光学输出对应的第二传感器输出；以及控制器，被配置为使用第一和第二驱动电流、第一和第二传感器输出和提供的输入值来为驱动电路提供控制值以控制激光二极管的操作电流。

Description

控制激光器调制的方法和系统
技术领域
一些实施例涉及用于控制激光器调制的系统和方法。
背景技术
在光纤通信系统中，期望能够控制由发射激光器设备产生的光的调制深度。为了维持状态之间的快速切换并降低噪声，发射激光器不会在一些定义的功率之间切换然后关闭，而是其输出被降低到低水平。该调制深度也被描述为消光比(ER)，后者是存在数据“1”时的光强度与存在数据“0”时的强度的比率。
但是，激光器提供这些相对高和相对低的光输出所需的电流可能不是恒定的，并且可能受到各个激光器设备之间的公差的影响，并且随着时间的推移，由于单个设备的特性会因加热和/或老化而变化。当设备在使用中变热时，这种变化可能在正常操作中发生。存在用于控制调制的现有方法，通常用于连续运行的系统。一些与Smith提出的技术(Electronics Letters，1978年10月，第775-776页)相关，其中将低振幅低频(LF)调制添加到正常激光器电流中。已知LF调制频率下激光器的光输出波动允许估计激光器电流/光输出特性的斜率，因此可以计算期望的平均和调制光水平所需的驱动电流，前提是激光器特性没有过度的非线性。因此，可以构建反馈回路来维持对调制深度(或ER)的合理控制，只要其中隐含的反馈回路有时间稳定即可。
但是，在一些通信系统中，例如在无源光网络(PON)应用中，发射器通常以突发模式操作，其中激光器调制水平应该在磨合(run-in)序列的非常少的脉冲之后处于受控状态并处于指定值。在这种情况下，可用于控制回路稳定下来的时间可能很少。
因此，有时不仅期望能够自动补偿激光器本身的制造公差和参数漂移，而且还能够在非常短的时间段内达到定义的目标调制水平，并且只有非常少量的脉冲通过系统。这种用于建立正确操作条件的具有脉冲序列的时段通常被称为磨合时段。
先前已经公开了用于确定偏置电流和调制电流的合适水平以在几个磨合脉冲的时间尺度内提供所需平均光学水平和所需消光比的技术(例如，GB2535553B和US10447007，Redman-White、Coue和Whitfield)。但是，虽然这样的技术在激光器驱动控制系统的稳定时间方面提供了有价值的改进，但是在将激光二极管耦合到驱动电路的一些优选布置中，仍然存在一些限制。特别地，当用于将激光二极管耦合到驱动电路的电路组件的布置包括至少一个电抗元件，例如电感时，系统的稳定时间可能会延长到不可接受的值。
本发明试图将这种延长的稳定时间的问题减少到可忽略的或更小的可接受值。
发明内容
根据一个方面，提供了一种系统，包括：驱动电路，被配置为在启动阶段向激光二极管施加第一驱动电流和随后的不同的第二驱动电流，所述第一驱动电流和第二驱动电流使得所述激光二极管被配置为分别提供第一光输出和第二光输出；光学传感器，被配置为提供与所述激光二极管的第一光学输出对应的第一传感器输出和与所述第二光学输出对应的第二传感器输出；以及
控制器，被配置为使用所述第一驱动电流、所述第二驱动电流、所述第一传感器输出和所述第二传感器输出来为所述驱动电路提供控制值，以控制所述激光二极管光学输出的平均功率和调制深度。
驱动电路可以被配置为控制施加到所述激光二极管的偏置电流和施加到所述激光二极管的调制电流。
驱动电路还可以被配置为提供补偿电流，该补偿电流被馈送到将激光器耦合到驱动电路的电路组件的布置中，该驱动电路的值被配置为在确定期望的偏置和调制电流值的处理期间将通过耦合组件的所述布置的电流维持在基本恒定的值。
控制值可以被配置为控制由所述驱动电路施加到所述激光二极管的偏置电流和调制电流。
控制器可以被配置为使用所述第一驱动电流值、所述第二驱动电流值、所述第一传感器输出和所述第二传感器输出来确定平均电流值和调制电流值，并基于所述平均电流值和所述调制电流值提供控制值。
控制器可以被配置为所述第一电流值和所述第二电流值以确定所述补偿电流的值。
控制器可以被配置为使用所述第一驱动电流、所述第二驱动电流、所述第一传感器输出和所述第二传感器输出来确定将由驱动电路施加到所述激光二极管的第三电流，从而提供最小操作电流值，以及将施加到所述激光二极管的第四电流，以提供最大操作电流值，并基于所述第三和第四电流值提供控制值。
最小操作电流值用于数据‘0’，并且所述最大操作电流用于数据‘1’。
该系统可以被布置用于突发通信系统，并且所述第一和第二驱动电流在单个突发的定时内被施加。
该系统可以被布置用于突发通信系统，并且所述第一和第二驱动电流可以在单个突发的定时内被施加。
该系统可以被布置用于突发通信系统，并且所述第一和第二驱动电流可以在相应突发的定时内被施加。
光学传感器可以包括光电二极管。
光学传感器可以包括模数转换器，该模数转换器被配置为将光电二极管的输出转换成数字值以提供所述第一和第二传感器输出。
该系统可以包括反馈回路，该反馈回路被配置为使用来自光学传感器的输出和一个或多个存储的参考值来补偿在所述启动阶段之后所述激光二极管的行为变化。
驱动电路可以被配置为使得没有电流施加到所述激光二极管并且所述光学传感器的相应输出用于校正所述第一和第二传感器输出值。
第一和第二驱动电流值可以被配置为使激光二极管在基本线性的操作区域内操作。
根据第二方面，提供了一种用于通信系统的方法，其中信息以至少一个突发传输，所述通信系统包括：激光二极管；耦合到所述激光二极管的驱动电路；耦合到所述激光二极管的端子的补偿电流源；光学传感器；以及控制器，所述方法包括：由所述驱动电路在操作阶段之前的启动阶段中向所述激光二极管施加第一驱动电流和随后的第二驱动电流，所述第一驱动电流和第二驱动电流是不同的，并且使得所述激光二极管被配置为分别提供第一光输出和第二光输出；通过所述补偿电流源在所述启动阶段中施加与所述第一和第二驱动电流相关的补偿电流并且被配置为在所述启动阶段期间将流过连接到所述激光二极管的至少一个阻抗的组合电流维持在基本恒定的水平；通过所述光学传感器提供与所述激光二极管的所述第一光学输出对应的第一传感器输出和与所述第二光学输出对应的第二传感器输出；以及由所述控制器提供控制值，所述控制值包括用于所述驱动电路在所述操作阶段期间控制所述激光二极管的操作电流的控制值，在所述操作阶段中所述信息在所述至少一个突发中传输，所述控制值基于所述第一驱动电流的值，以及所述第二驱动电流的值、所述第一传感器输出、所述第二传感器输出和至少一个供应的输入值。
所述操作电流可以包括平均电流和调制电流，并且由所述控制器提供控制值，可以包括：使用所述第一驱动电流的所述值、所述第二驱动电流的所述值、所述第一传感器输出和所述第二传感器输出和所述至少一个供应的输入值来确定平均电流值和调制控制值；以及基于所述平均电流和调制控制值来提供控制值。
所述至少一个阻抗可以连接在所述激光二极管和系统电源之间。
连接在所述激光二极管和所述系统电源之间的所述至少一个阻抗可以包括至少一个电感。
通过所述控制器提供控制值还可以包括向所述补偿电流源提供补偿控制值，其中提供所述补偿控制值可以包括：分别确定所述补偿电流的第一值和第二值，使得通过连接在所述激光二极管和所述电源之间的所述阻抗的所述总电流在所述第一和第二驱动电流的所述提供期间保持基本恒定；以及产生取决于所述补偿电流的所述第一值的第一补偿控制值和取决于所述补偿电流的所述第二值的第二补偿控制值。
该方法还可以包括由所述驱动电路基于所述控制值向所述激光二极管提供所述平均电流和所述调制电流。
所述操作电流可以包括将由所述驱动电路提供给所述激光二极管的最大操作电流和最小操作电流，并且由所述控制器提供控制值可以包括：确定将由所述驱动电路提供给所述激光二极管的最小操作电流值和最大操作电流值；以及基于所述最大操作电流值和所述最小操作电流值提供所述控制值。
通过所述控制器提供控制值可以包括基于所述控制值向所述激光二极管提供所述最大操作电流值和所述最小操作电流值。
所述最小操作电流值可以用于数据‘0’，并且所述最大操作电流可以用于数据‘1’。
所述操作电流可以包括偏置电流和调制电流，并且由所述控制器提供控制值可以包括：确定偏置电流值和调制控制值；以及基于所述偏置电流值和所述调制控制值将所述控制值施加到所述驱动电路。
该方法还可以包括在所述操作阶段，由所述驱动电路基于所述控制值提供施加到所述激光二极管的所述偏置电流和施加到所述激光二极管的所述调制电流。
由所述驱动电路在所述操作阶段之前的所述启动阶段中向所述激光二极管提供所述第一驱动电流和随后的所述第二驱动电流，可以包括在单个突发的定时内提供所述第一和第二驱动电流。
由所述驱动电路在所述操作阶段之前的所述启动阶段中向所述激光二极管提供所述第一驱动电流和随后的所述第二驱动电流，可以包括在各自突发的定时内提供所述第一和第二驱动电流。
所述光学传感器可以包括光电二极管。
所述光学传感器可以包括模数转换器。
由所述光学传感器提供与所述激光二极管的所述第一光学输出对应的所述第一传感器输出和与所述第二光学输出对应的所述第二传感器输出可以包括：由所述模数转换器将所述光电二极管的所述输出转换成表示所述激光二极管的所述第一传感器光学输出的数字值和表示与所述第二光学输出光电二极管对应的所述第二传感器输出的数字值，以提供所述第一和第二传感器输出。
阻抗可以连接到所述激光二极管的未连接到所述至少一个电感的端子。
该系统可以包括反馈回路，该反馈回路被配置为使用来自所述光学传感器的输出和一个或多个存储的参考值来补偿所述激光二极管在所述启动阶段之后的行为变化。
所述驱动电路可以被配置为使得当没有电流施加到所述激光二极管时，所述光学传感器的相应输出用于校正所述第一和第二传感器输出值。
所述第一和第二驱动电流值可以被配置为使所述激光二极管在基本上线性的操作区域内操作。
根据另一方面，提供一种使用至少一个突发进行通信的方法，包括：在启动阶段向激光二极管施加第一驱动电流和随后的不同的第二驱动电流，所述第一驱动电流和第二驱动电流使得所述激光二极管被配置为分别提供第一光学输出和第二光学输出；提供与所述激光二极管的所述第一光学输出对应的第一传感器输出和与所述第二光学输出对应的第二传感器输出；以及使用所述第一驱动电流的值、所述第二驱动电流的值、所述第一传感器输出、所述第二传感器输出和所述至少一个供应的输入来提供控制值以控制所述激光二极管的操作电流；将补偿电流施加到所述激光二极管的端子，所述补偿电流被配置为在所述启动阶段期间将流过连接到所述激光二极管的至少一个阻抗的组合电流维持在基本恒定的水平；提供控制器，该控制器被配置为使用所述第一驱动电流的值、所述第二驱动电流的值、所述第一传感器输出、所述第二传感器输出和至少一个供应的输入值来为所述驱动电路提供控制值以控制所述激光二极管在操作阶段期间的操作电流，在操作阶段中在所述至少一个突发中传输信息，并且进一步在所述启动阶段期间供应所述补偿电流的第一和第二值。
在所述方法中提供的所述操作电流可以包括平均电流和调制电流，并且所述控制器可以被配置为使用所述第一驱动电流的所述值、所述第二驱动电流的所述值、所述第一传感器输出和所述第二传感器输出和所述至少一个供应的输入来确定平均电流值和调制控制值，并基于所述平均电流和调制控制值提供控制值。
在根据所述方法的实施例中存在的所述至少一个阻抗可以连接在所述激光二极管和所述系统电源之间。
在根据所述方法的实施例中存在的所述至少一个阻抗可以包括至少一个电感。
在根据所述方法的实施例中存在的所述控制器可以被配置为使用所述第一驱动电流的所述值、所述第二驱动电流的所述值来分别确定补偿电流的第一值和补偿电流的第二值，使得在所述第一和第二驱动电流的所述提供期间，通过连接在所述激光二极管和所述电源之间的所述阻抗的总电流基本保持恒定。
在根据所述方法的实施例中存在的用于提供所述驱动电流的所述部件可以被配置为基于所述控制值提供施加到所述激光二极管的所述平均电流和施加到所述激光二极管的所述调制电流。
在所述方法中提供的所述操作电流可以包括要施加到所述激光二极管的最大操作电流和最小操作电流，并且所述控制器可以被配置为使用所述第一驱动电流的所述值、所述第二驱动电流的所述值，所述第一传感器输出、所述第二传感器输出和所述至少一个供应的输入来确定要施加到所述激光二极管的最小操作电流值和要施加到所述激光二极管的最大操作电流值，并基于所述最大操作电流值和所述最小操作电流值提供控制值。
在根据所述方法的实施例中存在的用于提供所述驱动电流的所述部件可以被配置为基于所述控制值提供施加到所述激光二极管的所述最大操作电流值和所述最小操作电流值。
在所述方法中提供的所述最小操作电流可以用于表示数据“0”，并且所述最大操作电流可以用于表示数据“1”。
在所述方法中提供的所述操作电流可以包括要施加到所述激光二极管的偏置电流和调制电流，并且所述控制器可以被配置为使用所述第一驱动电流的所述值、所述第二驱动电流的所述值、所述第一传感器输出、所述第二传感器输出和至少一个供应的输入来确定偏置电流值和调制控制值，并基于所述偏置电流值和所述调制控制值应用控制值。
在根据所述方法的实施例中存在的用于提供所述驱动电流的所述部件可以被配置为基于所述控制值将所述偏置电流提供给所述激光二极管并且将所述调制电流提供给所述激光二极管。
在所述方法中提供的所述第一和第二驱动电流可以被配置为在单个定时突发内施加到所述激光器。
在所述方法中提供的所述第一和第二驱动电流可以被配置为在各自的定时突发内被施加到所述激光器。
在所述方法中提供的所述传感器输出可以通过包括光电二极管的部件来提供。
在所述方法中提供的所述传感器输出可以通过包括模数转换器的部件来提供，以将所述光电二极管的输出转换成数字值以提供所述第一和第二传感器输出。
在根据所述方法的实施例中存在的所述激光器可以连接到至少一个阻抗，其中所述至少一个阻抗可以连接到所述激光器的未连接到所述至少一个电感的端子。
用于提供根据所述方法的实施例中存在的所述驱动电流的所述部件还可以包括反馈回路，该反馈回路被配置为使用来自所述光学传感器的输出和一个或多个存储的参考值来补偿所述激光二极管在所述启动阶段之后的行为变化。
在根据所述方法的实施例中存在的用于提供所述驱动电流的所述部件可以被配置为使得当没有电流被施加到所述激光二极管时，可以使用所述光学传感器的相应输出来校正所述第一和第二传感器输出值。
在根据所述方法的实施例中存在的用于提供所述驱动电流的所述部件可以被配置为使所述激光二极管在基本上线性的操作区域内操作。
在上文中，已经描述了许多不同的实施例。应该认识到的是，可以通过组合上述实施例中的任何两个或更多个实施例来提供进一步的实施例。
附图说明
现在将仅以示例的方式并参考附图描述一些实施例，其中：
图1a示出了显示激光器的光功率与激光器驱动电流的关系图，该图示出了调制深度和调制电流；
图1b示出了显示在两个不同温度下操作的激光器的光功率与激光驱动电流的关系图；
图2示出了根据现有技术布置用于控制激光器调制和偏置的反馈布置；
图3示出了在数据突发开始时的突发模式通信链路，以及激光器的典型响应和驱动电流，其中常规的反馈回路控制激光器；
图4图示了根据现有技术布置的在数据磨合期间使用两个突发或脉冲来提供关于激光器特性的信息；
图5图示了根据现有技术的实施例从在磨合突发或脉冲中观察到的水平确定期望的激光器驱动电流水平。
图6示意性地示出了根据现有技术的实施例的利用偏置和调制电流驱动激光器的布置。
图7示出了根据现有技术的一种布置，其中电路元件的布置用于耦合激光器。
图8示出了根据现有技术的在用于驱动激光器的布置中在正常数据突发期间的理想电流的表示。
图9示出了根据现有技术的用于在采用差分激光器驱动的布置中提供磨合突发驱动电流的布置。
图10示出了根据现有技术的实施例的在诸如图10的布置中通常存在于激光器连接处的电波形的表示。
图11示出了根据本发明的实施例的用于在磨合突发期间提供补偿电流以在激光器耦合组件的阻抗中提供恒定电流的布置。
图12示出了根据本发明的实施例的图11的布置中存在的电流的表示。
图13示出了本发明的实施例的方法。
具体实施方式
现在将仅通过示例来描述一些实施例。
图1a和1b示出了典型激光器在光学输出功率与供应电流的关系方面的特性的表示。当电流低于某个阈值101时，没有输出，而在此之上，输出通常近似为与电流成线性关系。阈值电流101的值因设备而异，并且还随结温而变化，特别是当设备在使用时变热时。随着温度的升高，该特性也可能表现出一些非线性。
对于光信号中的快速切换和低噪声，光学输出的调制处于相对高和相对低的水平之间，而不是打开和关闭。控制激光器的平均功率输出，以便不超过激光器的最大额定值并遵守任何系统级功率规范。
激光器特性(激光器光功率输出与激光器驱动电流的关系)通常表示为高于阈值电流的基本直线，这在中等电流和较低操作温度下并非不合理。随着激光器用更大的电流更猛烈地驱动并变热，特性变得不那么线性并且在更高的电流下变得平坦。图1b示出了典型激光器分别在-40℃和85℃下的特性的表示。如可以看到的，阈值电流随着温度增加104，并且与在较低温度下相比，激光二极管的特性在较高温度下不那么线性。
由于这种从理想的线性特性的偏离，如果需要在宽的功率和温度水平范围内准确控制激光器，那么可能期望提供不依赖于线性特性假设的控制回路。但是，在一些实施例中，这可能不是问题。在一些实施例中，偏置电流和调制电流可以在突发操作开始时设置。因此，可以假设激光器处于或接近环境温度，其中特性基本上是线性的。随着激光器变热，在数据突发的过程期间，偏置电流和调制电流的值可以由更精确的反馈系统控制。
可以根据调制深度来描述在相对高的102和相对低的103水平之间的光学输出的调制，其中平均激光器功率105在这两个水平之间。相对高水平和相对低水平之间的光学输出调制可以替代地描述为消光比(ER)，后者是相对高水平和相对低水平之间的比率。调制深度如图1a中所示。图1a还示出了激光器调制电流。
在一些实施例中，激光器偏置电流是与相对低水平相关联的激光器驱动电流。偏置电流可以略大于阈值电流。然后，激光器调制电流是提供调制深度的相关联电流，并被添加到偏置电流以提供光学高水平。
在其它实施例中，可以设置偏置电流以提供基本上等于期望光学平均水平的光学水平。在这样的其它实施例中，从偏置中减去调制电流以提供期望的低(或“0”)符号水平，并且类似地将其添加到偏置电流以提供期望的高(或“1”)符号水平。
ER常规上也可以以dB为单位给出。该参数确定接收功能区分“1”和“0”符号水平的能力。因此，为了确保在使用中平均激光器输出得到良好的定义，并且ER也在定义的范围内，期望能够确定和控制光学高和光学低所需的电流。
用于控制激光器的平均输出和调制的技术在连续模式光纤通信系统中是已知的。图2示出了这种系统的示例(根据Smith，Electronics Letters，1978年10月，第775-776页)。该系统的目标是将光学水平与定义的参考值进行比较，从而维持平均值和ER而不管公差、老化和温度波动。通常，监控光电二极管201固定在发射激光二极管202附近，以便接收输出光信号的一小部分。在图2中所示的示例系统中，将低频(LF)调制添加到激光器驱动电流中。来自监控光电二极管201的表示平均值的信号与参考206进行比较，使得偏置电路210可以维持激光器中的平均电流。检测器211从监控二极管中提取包含LF调制的信号分量，并将其用于估计激光器特性的斜率。将此与斜率207的参考值进行比较允许调制水平被设置209并维持。
如图2中所示的控制系统的特征是使用了反馈回路，并且在该反馈回路内通常具有滤波积分和平均功能208，其必然具有长的时间常数。显然，对于在连续稳定状态操作的光链路，平均时间越长通常意味着对期望功率和调制水平的估计越准确，因此在快速稳定和准确控制功率和ER的要求之间存在冲突。
另一个问题是，此类系统中几个时间常数的组合可能会导致二阶或更高阶响应，使得可能观察到稳定行为中的过冲。
在突发模式通信链路的情况下，稳定这种反馈回路可能需要的时间不太可能可用。构建为快速稳定的反馈回路也可能会出现过冲，从而可能会损坏供应给激光二极管的电流。另一方面，如果每个数据有效载荷需要更长的磨合时间，那么通信系统的整体容量可能会受到限制。此外，在用于将激光器耦合到驱动电路的电路元件的一些布置中，可以包括电抗组件，诸如电感器，其可能进一步延迟电路条件的稳定并阻碍在可接受的时间范围内收集确定期望操作电流水平所需的可靠信息。
一些实施例的目的是消除在控制突发模式系统中的调制深度(ER)以及平均光功率中允许长稳定时间的要求。这可以通过使用在少量磨合突发或脉冲期间驱动激光器获得的定量信息并使用该信息来设置控制回路中的初始条件来实现。例如，少量的磨合突发或脉冲可以是两个或多于两个。一些实施例的另一个目的是最小化与激光器相关联的无源电抗电路元件的影响，否则这些无源电抗电路元件可能会在系统操作中产生稳定时间，这会干扰在期望时间范围内确定期望电流水平的过程。
图3示出了突发模式光通信系统中的光水平的表示，其中图2中所示的上述类型的控制系统用于维持期望的ER 302和期望的平均功率301。图3在第一个图中示出激光器功率输出与时间的关系并且在第二个图中示出平均电流与时间的关系。控制回路的缓慢稳定行为导致启动阶段的稳定时间长，平均功率和ER可能在相关标准中规定的磨合期303内没有被正确定义。这种类型的突发模式系统通常具有商定的规范，要求在大约5个磨合突发(例如，每个突发大约仅为200ns或更短)内建立完整的性能。从用户的角度来看，以最少数量的突发稳定到完整的性能是有利的。此外，如果控制回路中存在二阶或更高阶响应，那么稳定过程中可能会出现过冲，并有超过激光器最大额定值的风险。
一些实施例的另一个目的是提供一种在相对短的时间段内为发射激光二极管建立正确和稳定的操作条件的手段，在磨合时段只需要最少数量的突发，以使得还有可能一旦启动在控制系统中使用长的时间常数，从而在链路活动时维持对功率和ER的平稳控制。
图4示出了在根据现有技术的系统的实施例中作为磨合的一部分而产生的旨在提供激光器驱动电流值的快速稳定以提供期望的光学高功率水平408和光学低功率水平409并且因此提供平均功率水平301和ER 302的突发的表示。在这个实施例中，前两个突发或脉冲的输出水平被故意设置为低于预期操作水平的不同值。这些水平基于存储的值，这些值或者来自工厂校准，或者来自在正常操作中的自动校准更新。稍后将更详细地描述该方法。
在第一突发或脉冲405中，没有数据调制的定义的固定电流401以预期导致中等输出(例如小于预期操作输出的50％)的水平被供应给激光器。对应的光学输出水平由监控二极管信号确定并且该值被存储。对于第二突发或脉冲406，供应给激光器的电流被增加到更高的水平402以给出更高的光学输出，以递送例如正常操作输出的75％。同样，借助于监测二极管观察到的光功率水平被测量和存储。然后可以执行简单的计算来确定对激光器特性的斜率和阈值的良好估计，从而确定正确平均功率和ER所需的偏置电流和调制电流的初始电流设置。
对于本领域的技术人员来说，显而易见，前两个校准突发的精确持续时间和定时间隔不受用于应用的特定通信系统的规范的限制。在一些实施例中，遵守来自主机系统的以“突发启用”信号形式的突发定时输入可能是方便的。但是，在一些其它实施例中，唯一的限制可能是突发足够长，以在与在该突发中供应的电流对应的光水平下测量监测二极管信号。一种方便的方法是在单个定义的突发持续时间期间应用两种不同的激光器驱动电流。以这种方式，有可能在第二突发间隔之前校准系统。
图5示出了根据一个实施例可以执行期望功能的系统的示例。本领域技术人员将立即认识到，可以采用许多其它电路和组件的布置来实现基本相同或相似的结果。
向发射器激光二极管501供应来自电流模式数模转换器(DAC)506的偏置电流514和来自另一个电流模式DAC 507的调制电流515。调制电流由在数据输入511的控制下通过调制器510开启和关闭的调制电流DAC 507供应。调制器510设在调制电流DAC 507和激光二极管501之间的路径中。两个电流可以通过突发启用控制信号512被输入到电流DAC 506和507中的每一个的动作被一起关闭。
激光器501的光学输出由定位在激光二极管附近的所提供的监控光电二极管502监控。监控二极管产生电流，该电流通过与光电二极管502连接的跨阻放大器(TIA)503转换成电压505。监控TIA的输出505被馈送到平均控制回路和ER控制反馈回路(图中未显示)并经由ADC(模数转换器)504馈送到控制器514。ADC 504的数字输出513作为输入提供给控制器514。
在一些实施例中，监控二极管和相关联的TIA可以具有低于信号带宽的带宽，并且控制系统可以被配置为考虑这一点。
当以连续模式运行时，或具有长序列的数据突发时，控制偏置电流的数字值508和控制调制电流的数字值509由反馈回路控制确定，并保持相对稳定，随温度缓慢变化。但是，在数据突发发起时，值508和509的控制可以由控制器514可以运行的快速启动算法来定义。
图6以示意图的方式示出了在数据突发的磨合期间使用至少两个定义的激光值如何为执行计算的算法提供信息。MREF是当激光器中没有电流时在监视器TIA的输出上观察到的水平，并且表示泄漏电流和放大器偏移的影响。I1是在第一校准突发或脉冲405中施加到激光器的校准电流401，并且M1是观察到的对应监视器TIA输出。I2是在第二校准突发或脉冲406中施加到激光器的校准电流402，并且M2是观察到的对应监视器TIA输出。这些校准电流优选地通过改变偏置电流的值来施加。IAVE是用于后续数据传输的期望平均激光器电流403，并且MAVE是在监视器TIA输出处观察到的对应水平。IH和IL是在期望ER 302处分别发出“1”水平和发出“0”水平信号所需的激光器电流。MH和ML是在监视器TIA的输出端处在稳定状态下被观察到的对应的“1”和“0”水平。
可以方便地将激光器后续正常操作所期望的所需IAVE值和ER值预先方便地存储在本地存储器中。还需要校准电流值I1和I2来进行计算，但这些值不必是任何特定值，而是满足它们都在激光器的正常操作范围内的条件。这些值可以方便地存储在本地存储器，或考虑到正在使用的特定激光器的规格以及可选的其它因素(诸如环境温度)存储在查找表中。I1和I2的值优选地应该充分不同，使得可以简单地进行所需的计算而没有明显的舍入误差，例如，如果要使用值的有限范围整数表示进行计算的话。
执行计算的一种方法的示例如下：
Figure BDA0003955676800000151
并且
Figure BDA0003955676800000152
Figure BDA0003955676800000161
Figure BDA0003955676800000162
使得
MAVE＝S(IAVE-I1)+Ml
因此
Figure BDA0003955676800000163
导致
Figure BDA0003955676800000164
类似地我们可以导出
Figure BDA0003955676800000165
在这个示例中，激光器操作电流已根据表示“1”和“0”水平的最小和最大电流被定义。偏置电流和调制电流可以以适合激光调制器的特定实施方式的方式从这些值导出。在图5中所绘出的DC调制器的情况下，偏置电流等于IL，并且调制电流等于(IH–IL)。然后将这些电流值用作初始操作值，然后通过任何反馈系统进行调整，例如如图2中所示，以考虑激光器的加热，或激光器的电流与光功率特性的关系从简单的线性模型的可能偏差。
对本领域技术人员来说显而易见的是，有许多方法可以进行所需的计算或确定并定义操作电流，例如，当调制被应用为向平均偏置电流值添加和从平均偏置电流减去的交流电时。
图7示出了根据现有技术用于将激光二极管耦合到相关联驱动电路的电路元件的布置。在这种布置中，串联阻抗704、710被示出为与激光器501连接，以修改和改进激光器光学输出的脉冲响应。在该图中，这些阻抗由扼流圈电感表示，近似于典型应用中最显著的阻抗元件。本领域技术人员将立即认识到这种阻抗有很多可能的变化，其性质将取决于完整的发射光学子组件(TOSA)的物理构造，并且每个可以包括一个以上的元件。为了便于在定义的数据突发期间激活激光器，提供与偏置电流DAC 506串联的切换功能703。所述切换功能在一方面向激光器提供偏置电流708和另一方面将通过激光器的所述电流转移到与扼流圈阻抗704的连接之间进行选择。类似地，为了促进激光器电流的调制，提供了调制切换功能702，其在一方面向激光器供应附加的电流和另一方面将通过激光器的所述电流转移到与扼流圈阻抗704的连接之间进行选择。
在正常操作过程中，在每次突发期间，通过电感704的电流大致恒定，并且与扼流圈阻抗相关联的长时间常数通常是合乎需要的。当在启动阶段期间施加电流401、402的校准脉冲或突发时，通过激光器的净电流保持相对稳定达足够时间，以使监控光电二极管通道能够可靠地感测激光学输出的水平。在各个突发之间的间隔中，调制切换功能702和偏置电流切换功能703被配置为在使组合的总电流返回到电源之前使所述电流从激光器转移并通过扼流圈阻抗704。
图8示出了图7中所示布置中的理想化电流的表示。注意的是，与偏置电流708串联的切换功能703由突发启用信号512控制并且与调制电流709串联的切换功能702由从数据信号与突发启用信号的适当逻辑组合形成的信号701控制。如果没有明显的其它因素，那么通过扼流圈阻抗704的电流706将在数据突发期间(当突发启用信号512被断言时)和在突发启用信号无效时的数据传输的突发之间这两种情况下保持基本恒定。
图9示出了根据现有技术的激光器驱动电路的实施例的简化布置，其中校准脉冲或突发在磨合时段期间被施加到激光器以确定正常数据传输所需的偏置和调制水平的适当设置。为控制调制和偏置电流702、703的路由而提供的切换功能在校准序列期间具有固定设置，因此在该图中为了清楚起见已被省略。注意的是，在图9中，调制电流切换功能被设置为转移通过激光器的调制。调制电流可以被设置为方便的值，或设置为零。如果在与校准电流值相关联的计算中考虑了所述调制电流的贡献，那么这些设置不是必需的。在校准操作开始时，首先将偏置电流设置为方便的较低值以提供第一校准脉冲或突发，并感测激光器的光学输出，并将监测TIA的输出505存储在控制器功能514中。然后将偏置电流设置为方便的更高值，以提供第二校准突发或脉冲，并感测激光器的对应光学输出并将其存储在控制器功能中。在理想情况下，控制器然后能够例如以前面描述的方式执行简单的计算，以便确定用于正常数据传输的偏置和调制电流的合适设置。
图10在上图中示出了在所述校准过程期间流过激光器的理想化电流的表示。假设激光器电流跟随来自偏置DAC 606的施加电流903并且稳定到期望值而没有明显延迟。在下图中，示出了实际情况下的激光器电流901的表示。由于在BOSA的构造中存在激光器耦合扼流圈阻抗704、710和不可避免的寄生电容707、711，激光器电流对来自偏置DAC 606的供应电流变化的响应可能表现出缓慢稳定到其平衡值，并且也可能表现出振铃行为(ringingbehaviour)。注意的是，在实际情况中，与激光器结相关联的阻抗、扼流圈阻抗704和寄生电容707可能是造成所述长稳定时间的主要因素，并且解决方案必须优先考虑这些因素。
相比于与监控光电二极管和相关联TIA相关联的稳定时间，激光器电流的所述稳定和振铃的持续时间也可能是显著的，并且与可以适合指定磨合时段内的突发或脉冲的持续时间相比也是显著的。因此，激光器电流的这种稳定可能成为确定与给定校准电流对应的激光器的光学输出的主要时间约束。因此，控制器功能变得难以或不可能获得光学输出值的足够可靠的测量，光学输出值与进行所需的操作电流值的有意义的计算所需的第一和第二校准电流值相关联。
本发明试图克服的正是这种限制。
图11示出了根据本发明的一个方面的用于驱动激光二极管的布置。除了图9中所示的特征之外，还提供了来自另一个DAC 1101的另一个补偿电流路径，其输出电流值由数字值1105控制。所述数字值1105由控制器功能1106的修改后的形式提供。在校准阶段期间，所述修改后的控制器功能计算用于设置补偿电流DAC的值，使得流过扼流圈阻抗704的电流保持基本恒定，直到校准突发或脉冲已经完成。因此，紧接在第一校准突发或脉冲之前，补偿电流值被设置为等于结合来自调制电流1003的设置的任何贡献(其可能为零或其它一些固定值)的由第二较大校准电流值提供的电流的水平。在偏置电流设置905改变以设置用于第一校准电流突发或脉冲的偏置DAC 506的值的时刻，补偿电流DAC 1101的设置1105被设置为使得补偿电流1102正好减小与偏置电流903的增加相同的量。通过这些手段，流过扼流圈阻抗704的通常是布置中的主要无功分量的电流1103基本保持恒定。因此，在流过扼流圈阻抗704的组件的基本恒定电流的情况下，激光器周围的电气条件没有明显的扰动，因此激光器电流1104将非常紧密地跟随偏置DAC 506施加的电流903。注意的是，在实际的实施例中，在扼流圈阻抗710和相关联的寄生元件中流动的电流的变化不会导致在激光器中流动的电流1104的显著稳定误差。
在快速启动校准操作开始时，当激光器501中的电流最初处于零值时，可以方便地感测连接到监控光电二极管502的TIA 503的输出505，以确定任何偏移或泄漏对感测值的贡献大小。
为了开始快速启动校准操作，首先确定要在快速启动过程中使用的遵守激光器的绝对最大电流额定值的激光器电流值。获得偏置电流903的第一和第二值，其可以方便地处于旨在用于正常传输模式的峰值电流的25％和75％的范围内。根据要施加到激光器的偏置电流903的这两个值，计算补偿电流1102的对应的第一和第二值，当将其添加到激光器电流时将在扼流圈阻抗704中产生恒定电流。
接下来，控制调制电流路径702的开关被设置为连接固定调制电流1003，如果在这个过程中有的话，以通过扼流圈阻抗704绕过激光器。控制偏置电流路径703的开关被设置为使得偏置电流903流过激光器。
在第一校准突发或脉冲之前，偏置电流和调制电流可以被设置为零并且补偿电流控制1105被设置为使得通过扼流圈阻抗704的电流1103具有与在随后的校准突发或脉冲期间被确定通过所述扼流圈阻抗的总电流相同的值。
在第一校准突发或脉冲期间，偏置控制值905的值被设置为第一值以将偏置电流903设置为第一快速启动校准突发或脉冲所需的水平。调制控制值906可以将调制电流902设置为优选的小的固定值，或者所述调制控制值可以保持在关闭状态，将调制电流保持在零值。在同一时刻，补偿控制值1105被设置为先前确定的第一值，使得补偿电流DAC 1101提供附加的电流流经扼流圈阻抗704，使得通过所述扼流圈阻抗的电流不随校准突发或脉冲的开始而改变。
激光器501的光学输出然后由光电二极管502感测并由相关联的TIA 503放大。在允许与所述光电二极管和TIA相关联的任何稳定时间之后，相关联的TIA的输出505由ADC504数字化并存储在控制器功能1106中。
在第二校准突发或脉冲期间，偏置控制值905然后被设置为第二值以将偏置电流903设置为第二快速启动校准突发或脉冲所需的电流水平。调制控制值906保持设置为固定值或关闭状态。在同一时刻，改变补偿控制值1105以减小补偿电流DAC 1101的输出，使得补偿电流1102减小与来自偏置DAC的电流增加相同的量，以提供第二校准突发或脉冲的电流，使得当激光器电流1104增加时，在扼流圈阻抗704中流动的电流1103基本保持不变。
在定义的突发时段期间的数据传输的正常操作期间，不需要补偿电流1102，并且该电流路径与和激光器相关联的组件断开。这种断开可以通过对本领域技术人员显而易见的多种方式来实现，诸如使用切换功能，或将补偿DAC 1101的值设置为零。
图12示出了如参考图11中所示和描述的根据本发明的实施例的布置的操作的表示。来自补偿源DAC 1101的电流1102被视为在校准操作开始时被设置为与在快速启动校准操作的突发或脉冲期间被确定为在扼流圈阻抗704中流动的总电流1103的值对应的值。在第一快速启动校准突发或脉冲期间，补偿电流1102的值被视为减少了与偏置电流903(以及可能的调制电流)和因此激光器电流1104的增加相同的量，使得通过扼流圈阻抗704的电流1103基本保持恒定，并且通过控制光学输出功率的激光器1104的电流在整个所述第一校准突发或脉冲的时段内保持基本稳定而没有明显的稳定误差。
在第二快速启动校准突发或脉冲期间，来自补偿源DAC 1101的电流1102被视为进一步减少与在激光器中为第二快速启动校准突发或脉冲提供期望电流水平所需的偏置电流903的增加对应的量。因此，流过扼流圈阻抗704的电流1103保持基本恒定，并且通过控制光学输出功率的激光器1104的电流在整个所述第二校准突发或脉冲的时段内保持基本恒定而没有明显的稳定误差。
因此，通过本发明的这些特征，有可能获得与校准突发或脉冲中使用的电流水平对应的光学值的可靠测量，使得控制器功能可以执行所需的计算来确定在正常传输模式期间期望的操作条件所需的偏置508和调制509的优选值。
现在将参考图13描述合适算法的示例，但是本领域技术人员将立即认识到许多其它算法将实现等效或类似功能。
对于第一步骤S1，偏置电流903和调制电流1003被设置为零值。TIA 505的输出被模数转换器504测量、数字化并存储为表示计算中任何偏移的基准值。
在第二步骤S2中，确定在快速启动过程中使用的最大电流，该值是小于激光器的最大额定电流的某个值。如果调制电流没有被设置为零，那么针对相同项确定低固定值。为要在快速启动过程中使用的偏置电流确定第一较低值和第二较高值。确定和计算补偿电流的第一和第二值，使得流过扼流圈阻抗的总电流将保持基本恒定。
在第三步骤S3中，偏置和调制控制开关702、703被配置为使得偏置电流通过激光器并且调制电流绕过激光器。偏置电流和调制电流被设置为零。补偿电流1102被打开并设置为等于被确定为在快速启动校准过程的第一和第二突发或脉冲期间流过扼流圈阻抗704的组合电流的最大值的值。
在第四步骤S4中，将调制电流设置为零或确定的低固定值。在第一校准突发或脉冲期间，偏置电流被设置为第一确定值，并且补偿电流被设置为对应的第一确定值。然后对TIA的输出进行测量、数字化和存储，以供后续的快速启动校准计算。
在第五步骤S5中，在第二校准突发或脉冲期间，将偏置电流设置为第二确定值，并且将补偿电流设置为对应的第二确定值。然后对TIA的输出进行测量、数字化和存储，用于后续的快速启动校准计算。
在第六步骤中，控制器功能处理在校准过程期间存储的值，并计算偏置DAC 506和调制DAC 507的初始设置以提供期望的平均光功率和消光比。
在第七步骤S7中，补偿电流源被禁用并且与激光器驱动电路断开。偏置和调制电流开关702、703被设置为用于数据的正常传输的正常操作条件。使用步骤6中计算的DAC设置启用偏置和调制电流。如果在特定应用中使用，那么启用任何可用的反馈控制系统，以在传输时段期间监控和更新偏置和调制电流设置。
上面已经描述了具有不同变化的各种实施例。应当注意的是，本领域技术人员可以组合这些各种实施例和变型的各种元素。这样的改变、修改和改进旨在成为本公开的一部分，并且旨在落入本发明的范围内。因此，前述描述仅作为示例，并不旨在进行限制。本发明仅由以下权利要求及其等同物限定。

Claims (20)

1.一种用于通信系统的系统，其中信息在至少一个突发中传输，所述系统包括：
耦合到激光二极管的驱动电路，所述驱动电路被配置为在操作阶段之前的启动阶段中施加第一驱动电流和随后的第二驱动电流以流过所述激光二极管，所述第一驱动电流和第二驱动电流是不同的并且使得所述激光二极管被配置为分别提供第一光学输出和不同的第二光学输出；
补偿电流源，进一步耦合到所述激光二极管的端子，所述补偿电流源被配置为提供与第一驱动电流和第二驱动电流相关的电流，并且还被配置为不流过所述激光二极管，并且被配置为在所述启动阶段期间将流过连接到所述激光二极管的至少一个阻抗的组合电流在适当的工程公差内维持在恒定水平；
光学传感器，被配置为提供与所述激光二极管的所述第一光学输出对应的第一传感器输出和与所述第二光学输出对应的第二传感器输出；以及
控制器，被配置为使用所述第一驱动电流的值、所述第二驱动电流的值、所述第一传感器输出、所述第二传感器输出和至少一个供应的输入值来为所述驱动电路提供控制值，以控制所述激光二极管在操作阶段期间的操作电流，在所述操作阶段中所述信息在所述至少一个突发中传输。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述操作电流包括平均电流和调制电流，并且所述控制器被配置为使用所述第一驱动电流的所述值、所述第二驱动电流的所述值、所述第一传感器输出和所述第二传感器输出和所述至少一个提供的输入来确定平均电流值和调制控制值，并基于所述平均电流和调制控制值来提供控制值。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个阻抗连接在所述激光二极管和系统电源之间。
4.如权利要求3所述的系统，其中连接在所述激光二极管和所述系统电源之间的所述至少一个阻抗包括至少一个电感。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述控制器被配置为使用所述第一驱动电流的所述值、所述第二驱动电流的所述值来分别确定补偿电流的第一值和补偿电流的第二值，使得通过连接在所述激光二极管和所述电源之间的所述阻抗的总电流在所述第一驱动电流和所述第二驱动电流的所述提供期间在适当的工程公差内保持恒定。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述驱动电路被配置为基于所述控制值提供施加到所述激光二极管的所述平均电流和施加到所述激光二极管的所述调制电流。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述操作电流包括将由所述驱动电路施加到所述激光二极管的最大操作电流和最小操作电流，并且所述控制器被配置为使用所述第一驱动电流的所述值、所述第二驱动电流的所述值、所述第一传感器输出、所述第二传感器输出和所述至少一个提供的输入来确定将由所述驱动电路施加到所述激光二极管的最小操作电流值和将由所述驱动电路施加到所述激光二极管的最大操作电流值，并基于所述最大操作电流值和所述最小操作电流值提供控制值。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述驱动电路被配置为基于所述控制值提供施加到所述激光二极管的所述最大操作电流值和所述最小操作电流值。
9.如权利要求7所述的系统，其中所述最小操作电流值用于数据“0”，并且所述最大操作电流用于数据“1”。
10.如权利要求1所述的系统，其中所述操作电流包括将由所述驱动电路施加到所述激光二极管的偏置电流和调制电流，并且所述控制器被配置为使用所述第一驱动电流的所述值、所述第二驱动电流的所述值、所述第一传感器输出、所述第二传感器输出和至少一个提供的输入来确定偏置电流值和调制控制值，并基于所述偏置电流值和所述调制控制值应用控制值。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述驱动电路被配置为基于所述控制值提供施加到所述激光二极管的所述偏置电流和施加到所述激光二极管的所述调制电流。
12.如权利要求1所述的系统，其中所述第一驱动电流和所述第二驱动电流是在单个突发的定时内施加的。
13.如权利要求1所述的系统，其中所述第一驱动电流和第二驱动电流是在相应的突发的定时内施加的。
14.如权利要求1所述的系统，其中所述光学传感器包括光电二极管。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述光学传感器包括模数转换器，所述模数转换器被配置为将所述光电二极管的所述输出转换成数字值以提供所述第一传感器输出和所述第二传感器输出。
16.如权利要求4所述的系统，其中阻抗连接到所述激光二极管的未连接到所述至少一个电感的端子。
17.如权利要求1所述的系统，包括反馈回路，所述反馈回路被配置为使用来自所述光学传感器的输出和一个或多个存储的参考值来补偿所述激光二极管在所述启动阶段之后的行为变化。
18.如权利要求1所述的系统，其中所述驱动电路被配置为使得当没有电流施加到所述激光二极管时，所述光学传感器的相应输出被用于校正所述第一传感器输出值和所述第二传感器输出值。
19.如权利要求1所述的系统，其中所述第一驱动电流值和所述第二驱动电流值被配置为使所述激光二极管在适当的工程公差内在线性操作区域内操作。
20.一种使用至少一个突发进行通信的方法，包括：
在启动阶段向激光二极管施加第一驱动电流和随后的不同的第二驱动电流以流过激光二极管，所述第一驱动电流和所述第二驱动电流使得所述激光二极管被配置为分别提供第一光学输出和不同的第二光学输出；
提供与所述激光二极管的所述第一光学输出对应的第一传感器输出和与所述第二光学输出对应的第二传感器输出；以及
使用所述第一驱动电流的值、所述第二驱动电流的值、所述第一传感器输出、所述第二传感器输出和所述至少一个提供的输入来提供控制值以控制所述激光二极管的操作电流；
向所述激光二极管的端子施加补偿电流，所述补偿电流被配置为不流过所述激光二极管并且被配置为在所述启动阶段期间将流过连接到所述激光二极管的至少一个阻抗的组合电流在适当的工程公差内维持在恒定水平；
提供控制器，所述控制器被配置为使用所述第一驱动电流的值、所述第二驱动电流的值、所述第一传感器输出、所述第二传感器输出和至少一个供应的输入值来为所述驱动电路提供控制值以控制所述激光二极管在操作阶段的操作电流，并且进一步在所述启动阶段供应所述补偿电流的第一值和第二值，在所述操作阶段中所述信息在所述至少一个突发中传输。
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