CN1188567A - 激光机驱动电路 - Google Patents

Abstract

一激光二极管(1)由第一、积分放大器(5)和第二、宽带放大器驱动,其中第一放大器接收直流参考电压Vref、输入数据Vin和来反面光电二极管(2)的负反馈,第二放大器接收数据及负反馈。

Description

激光机驱动电路

本发明涉及激光机驱动电路，特别是涉及可向其提供一调制信号的驱动电路。

在详细地考虑该电路之前，先看看激光机的行为是有用的。图1示出了典型的半导体激光二极管的光输出功率与输入电流的关系图。标为A的曲线说明的是室温下的典型特性。其特征在于跨导S和导通电流If。但是该特性是与温度有关的，于较高和较低温度时的典型图形分别示于曲线B和C。从这些图形可以明显看出：为用一调制信号驱动该激光机，需要提供一些标准电流以使激光机进入工作区，并需要根据调制信号改变这个电流。标号D表示在曲线A上工作时的驱动电流的典型范围，在该范围内光输出从基本上0到某一需要的最大值间变化。还可看到，在更高的温度下应用此同一范围内的电流(图B)产生一较低的最大功率输出，并且使激光机在很低于截止电流时被驱动。这是特别令人不满意的，因为一旦在截止电流之下被驱动，使该设备回到工作区的一个增加的电流会引入一个延迟，当试图用高比特率的数字信号进行调制时就会降低性能。另一方面，将该同一范围电流应用于低温的情况(图C)，会得到一高得多的光输出，但最大光输出相当小(这被称之为低消光率)；但这会产生调制的问题。

此问题的一个解决方案是利用具有合适电路的珀尔贴冷却器，以将设备的温度保持合理地稳定。但这会导致费用的增加。

可通过使用已知的平均功率控制器来适应导通阈值的变化，该平均功率控制器的示意图示于图2中。这里激光二极管1由电流I驱动并产生光输出L＝S.IWatt。光输出由反面监视器光电二极管2探测，光电二极管2驱动K.L.安培的电流进阻值为R的负载电阻3。平均光输出由参考电压源4确定，参考电压源4产生一电压Vref，且积分跨导放大器5将负载电阻3两端的电压与负载电阻3两端的电压进行比较以控制馈送给二极管的电流。一个调制电流从在输入端6连接的外部电流源被引入到激光二极管1。

若放大器5具有跨导带宽结果G，则忽略任何调制输出的激光输出为 $L=\frac{V_{\mathrm{ref}}+V_s}{K.R.(1+\frac{\mathrm{j\ω}}{G.K.S.R.})}$

我们看到，w＝0时的光输出是独立于S的，于是平均功率设定保持稳定。当调制电流I_data提供于输入端6的情况下，光输出由以下给出： $L=\frac{V_{\mathrm{ref}}+V_s}{K.R.(1+\frac{\mathrm{j\ω}}{G.K.S.R.})}+\frac{S.I_{\mathrm{data}}\frac{\mathrm{j\ω}}{G.K.S.R}}{1+\frac{\mathrm{j\ω}}{G.K.S.R}}$

我们看到，这里在高频时，增盖依赖于S，于是得到图3所示的情况，其中示出了同一电流驱动范围的工作区。高温时得到低的消光率，而低温时激光机可在截断电流以下偏转甚至反转，有导通延迟的代价。还可看到，低频数据的增益低，在d.c时下降至0，放大器5的反馈控制有效地从数据中除去d.c成分。于是这种驱动只适用于具有对称波形的数据；具体地，它极不适应脉冲数据驱动，如用于诸如有无源光学网络的TDMA系统中的驱动。

根据本发明提供了一种激光机驱动器，包括一数据输入口，用于接收数据信号；一用于提供表示激光机光输出的反馈信号的装置；第一放大器，具有直流及低频时的增益，用于接收数据信号、直流参考信号和反馈信号以向激光机提供电流；及第二放大器，具有更高频率时的增益，用于接收数据信号和反馈信号以向激光机提供电流。

最好第一放大器为一积分放大器，其在阈值频率以下的频率处具有比第二放大器更大的增益，而在阈值频率以上的频率处具有比第二放大器更小的增益。

若需要驱动器可具有一增益调节装置，由此可使该驱动器提供的增益在直流及在高于第一放大器的通带的频率处相等。

通过参照附图4和5将示例性地说明本发明的一些实施例。

图4是根据本发明一实施例激光机驱动器电路的示意性电路图。再次示出一激光二极管1，及一反面监视器光电二极管2和其负载电阻3，参考电压源4及积分跨导放大器5。但在此情况中放大器5不仅从参考源4接收(在其反相输入端)电压Vref，而且从数据输入端10接收数据Vin。其非反相端连接用于接收在电阻3的反馈电压。

而且，还提供第二、宽带放大器11，它具有一操作放大器12，后者连接用于在其非反相输入端接收同一反馈电压，及在其反相输入端通过输入电阻13接收数据Vin；此放大器的电压增益由其输入电阻和反馈电阻14决定。此放大器通过一负载电阻15驱动一电流进激光二极管1。

工作中，放大器5用电流I₁(以图4中箭头所示方向)驱动二极管1。利用前面用过的标记，此电流为：

另一方面要从宽带放大器11得到电压V₂，我们将反相输入端的电流相加，这里R_in和R_fb为输入和反馈电阻13、14的阻值。 $\frac{V_{\mathrm{in}}-(\mathrm{KSIR}-V_S)}{R_{\mathrm{in}}}+\frac{V_2-(\mathrm{KSIR}-V_S)}{R_{\mathrm{fb}}}=0$ 因此 $V_2=-\frac{R_{\mathrm{fb}}}{R_{\mathrm{in}}}{V}_{\mathrm{in}}+(1+\frac{R_{\mathrm{fb}}}{R_{\mathrm{in}}})(\mathrm{KSIR}-V_s)$ 而若R_L为负载电阻15的值，则 $I_2=-\frac{V_2}{R_L}=\frac{R_{\mathrm{fb}}}{R_{\mathrm{in}}}\frac{V_{\mathrm{in}}}{R_L}-(1+\frac{R_{\mathrm{fb}}}{R_{\mathrm{in}}})\frac{(\mathrm{KSIR}-V_S)}{R_L}$ 所以整个激光二极管电流为： $I=I_1+I_2=\frac{V_{\mathrm{in}}}{R_L}\frac{R_{\mathrm{fb}}}{R_{\mathrm{in}}}-\frac{(\mathrm{KSIR}-V_S)}{R_L}(1+\frac{R_{\mathrm{fb}}}{R_{\mathrm{in}}})+\frac{G}{\mathrm{j\ω}}(V_{\mathrm{in}}+V_{\mathrm{ref}}+V_S)$ 简化为 $I=\frac{\frac{V_{\mathrm{in}}}{R_L}\frac{R_{\mathrm{fb}}}{R_{\mathrm{in}}}+\frac{V_S}{R_L}(1+\frac{R_{\mathrm{fb}}}{R_{\mathrm{in}}})+\frac{G}{\mathrm{j\ω}}(V_{\mathrm{in}}+V_{\mathrm{ref}}+V_S)}{1+\mathrm{KSR}(\frac{G}{\mathrm{j\ω}}+\frac{1+R_{\mathrm{fb}}/R_{\mathrm{in}}}{R_L})}---\left(6\right)$ 时变部分与该信号的交流部V_inac的关系为： $I_{\mathrm{ac}}=\frac{V_{\mathrm{inac}}(\frac{R_{\mathrm{fb}}}{R_L{R}_{\mathrm{in}}}+\frac{G}{\mathrm{j\ω}})}{1+\mathrm{KSR}(\frac{G}{\mathrm{j\ω}}+\frac{1}{R_L}+\frac{R_{\mathrm{fb}}}{R_L{R}_{\mathrm{in}}})}---\left(7\right)$ $I_{\mathrm{ac}}=\frac{V_{\mathrm{inac}}(1+\frac{R_{\mathrm{in}}}{R_{\mathrm{fb}}}\frac{G{R}_L}{\mathrm{j\ω}})/\mathrm{KSR}}{\frac{R_{\mathrm{in}}}{R_{\mathrm{fb}}}(\frac{R_L}{\mathrm{KSR}}+1+\frac{G{R}_L}{\mathrm{j\ω}})+1}---\left(8\right)$ 其相应的光输出为： $L_{\mathrm{ac}}=\frac{V_{\mathrm{inac}}(1+\frac{R_{\mathrm{in}}}{R_{\mathrm{fb}}}\frac{G{R}_L}{\mathrm{j\ω}})/\mathrm{KR}}{\frac{R_{\mathrm{in}}}{R_{\mathrm{fb}}}(\frac{R_L}{\mathrm{KSR}}+1+\frac{G{R}_L}{\mathrm{j\ω}})+1}----\left(9\right)$

我们看到若R_L/KSR远小于单位1，则此表达式与激光机跨导S无关；此外，若Rin(1+R_L/KSR)/R_fb远小于单位1，光输出仅依赖于光电二极管负载R和光反馈传输函数K的固定参数。实际上，这里需一个二者的折衷，因为过大的R值会引起稳定性变差。然而，可以得到一个有价值的跨导灵敏度的减小。

电流I的直流部分与直流部分V_indc的关系为： $I_{\mathrm{dc}}=\frac{V_{\mathrm{indc}}+V_{\mathrm{ref}}+V_S}{\mathrm{KSR}}---\left(10\right)$ 光输出为 $L_{\mathrm{dc}}=\frac{V_{\mathrm{indc}}+V_{\mathrm{ref}}+V_S}{\mathrm{KR}}---\left(11\right)$ 它也是与跨导无关的，且保持输入的直流部分。

在操作中，激光机偏置点由调整V_ref来设定。因为电路是直流耦合的，通常的偏置设定将为恰好在阈值上。这个设定对应于Vin＝0v。激光机阈值的任何变化都由跨导放大器5跟踪。利用低频调制，实际上所有激光机驱动都是由该放大器提供的；当频率增加时，宽带放大器11的贡献变得越来越大且它所运载的驱动电流部分平滑地增大。(随着其增益(基本为常量)与跨导放大器增益之间的比值增加)于是低速设备提供标准的激光机阈值偏置而宽带放大器仅贡献高频调制部分。

图4的实施例不是一方便的实现形式，因为参考电压与数据信号串在一起。而且，光电二极管由二个放大器的输入端分流，若跨导放大器5具有-对低带宽直流放大器来说明是典型的-在射频时的低阻抗，因此会引起性能下降。一个更实用的形式示于图5中。

在图5中，与图4中功能相同的元件给以相同的标号，参考电压由电位器16产生，并通过放大器17加到输入电压V_in，放大器17具有分别用于参考电压和V_in的输入电阻18、19，还有一个用于调节增益即直流平衡的可变反馈电阻20。由于此放大器的反相，参考电压和输入电压此时被加到放大器5的同一极性的输入端，就象是来自光电二极管2的反馈信号，虽然通过各自的输入电阻21、22。放大器5具有第一工作放大器23，它具有反馈电阻24，通过电阻值为Rint的25馈入；放大器5还具有第二个同样的放大器26，具有反馈电容27(其容值为C_int)以形成一积分器。放大器5经电阻28驱动一射极跟随器pnp型晶体管29，后者经电阻R_out将电流供给激光二极管1。

宽带放大器的构造未改变；但应注意光电二极管2此时工作于光电模式，交直流驱动宽带放大器11和通过电阻22驱动积分放大器5的第一级23，避免了由此级的输入的二极管的过量负载。还从放大器23的反相输入端连接一电容，以避免放大器输入端的过大R.F.电流。

宽带放大器12可以是一个高性能的工作放大器，诸如ComlinearCorp.的Harris Corp.或CLC401生产的HFA1100型放大器。利用HFA1100，可在数据率高达300Mbit/s时取得很好的结果。其它的(17、23和26)需要好的直流稳定性，但它们的频响要求不是很严格。CA3140双MOSop-amp就很适合。

放大器5的截止频率为f＝GKRS/2π，其中G＝1/(Cint·Rint·R_L)。

注意，放大器17和相关的元件在反馈环以外，因此需要通过直流平衡控制20调节增益，以使得数据的传输函数在高、低频率时相当。一个可能的调节过程如下：

(a)在0v的数据输入时，利用电阻20将直流平衡设定到额定开始值，利用电位器16将阈值设为0v；

(b)利用直流监视器观察激光机的光输出，调整阈值控制16，使得激光机工作点很好地位于激光区中：

(c)将300Mbit/s的0-0.5V的非对称数据信号加到数据输入端(例如一单个标号后跟100个空格)，后跟反序列，并调节直流平衡控制20，直到当在两个信号间反复切换时在监视器上看不到底线移位；

(d)再调节阈值控制16，直到0v数据输入信号对应于阈值处的激光机偏置为止。图5中电路的典型元件值如下：标号    值符号    值13      R_in      100Ω14      R_fb      510Ω15      R_L       75Ω16                50kΩ18                100kΩ19                10kΩ20                50kΩ(额定值)21                2kΩ22                51Ω24                2kΩ25      R_int     10kΩ27      C_int     1μF28                1kΩ30      R_out     75Ω

Claims (3)

1、一种激光机驱动器，包括一数据输入口，用于接收数据信号；一用于提供表示激光机光输出的反馈信号的装置；第一放大器，具有直流及低频时的增益，用于接收数据信号、直流参考信号和反馈信号以向激光机提供电流；及第二放大器，具有更高频率时的增益，用于接收数据信号和反馈信号以向激光机提供电流。

2、根据权利要求1的激光机驱动器，其中第一放大器为一积分放大器，其在阈值频率以下的频率处具有比第二放大器更大的增益，而在阈值频率以上的频率处具有比第二放大器更小的增益。

3、根据权利要求1或2的激光机驱动器，具有一增益调节装置，由此可使该驱动器提供的增益在直流及在高于第一放大器的通带的频率处相等。

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