CN1871754B - 激光驱动器电路 - Google Patents

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Abstract

公开了用于控制脉冲数据信号的占空比的设备、系统和方法。可以响应于输入信号生成脉冲数据输出信号，其中脉冲数据输出信号包括占空比。至少可以部分基于脉冲数据输出信号的平均功率的近似值来调整脉冲数据输出信号的占空比。

Description

激光驱动器电路
背景
1.领域
这里公开的主题涉及通过光传输介质进行数据传输时使用的技术。
2.信息
数据一般以激光二极管生成的光能脉冲的形式在光传输介质(例如光缆)上传输。这样的激光二极管一般是由受到脉冲数据信号中的编码数据脉冲调制的电流信号来供电的。这样的脉冲数据信号一般被生成为以信号周期发送的一连串符号。在每个信号周期的脉冲周期部分中，一个能量脉冲或者没有这样的脉冲可以指示在该脉冲周期内正在发送的符号值。
脉冲数据信号的特征一般用“占空比(Duty Cycle)”来刻画，占空比反映了该脉冲数据信号中脉冲周期与信号周期之比。根据用于在光传输介质中传输数据的具体格式、协议或标准，脉冲数据信号中的信号周期(用于为激光二极管供电的调制的电流信号)一般被调整为具有符合所述具体的格式、协议或标准的占空比(duty cycle)。
图1示出了现有技术的占空比控制电路10，该电路可被用来控制在为垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)供电时所使用的电流信号的占空比。输出级14响应于在端子(terminal)12处接收的输入信号生成脉冲数据输出信号。占空比调整电路16调整耦合到输出级14的差分端上的DC电平，以影响脉冲数据输出信号的占空比。脉冲间隔(mark-space)监视电路18向运算放大器20提供电压，该电压代表了差分端24上的DC电压。脉冲间隔参考电路22以100％的占空比生成代表差分端24上的DC电压的电压。电阻R1和R2可被选择来对脉冲间隔参考电路22输出端上的电压进行分压。分压后的电压和脉冲间隔监视电路18的输出在运算放大器20的输入端上被接收。然后，运算放大器20的输出被提供给占空比调整电路16，以影响端子24上的DC电压。
附图说明
参考以下附图来描述本发明非限制性并且非穷尽的实施方案，其中除非特别指出，否则在各种附图中相近的标号代表相近的部分。
图1示出了现有技术的占空比控制电路10，该电路可被用来控制在为垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)供电时所使用的电流信号的占空比。
图2根据本发明的实施方案示出了向光传输介质发送数据以及从光传输介质接收数据的系统的示意图。
图3根据图3中示出的系统的实施方案示出了数据传输系统的物理介质附接(PMA)区段(section)和物理介质相关(PMD)区段的示意图。
图4根据图3中示出的PMD区段的实施方案示出了激光驱动器的示意图。
图5根据图4中示出的激光驱动器的实施方案示出了占空比控制电路的示意图。
图6A根据图5中示出的占空比控制电路的实施方案图示说明了用于生成占空比大约为百分之五十的脉冲数据信号的差分信号的行为。
图6B图示说明了响应于图6A中图示说明的差分信号的脉冲数据输出信号的时序特性。
图7A根据图5中示出的占空比控制电路的实施方案图示说明了用于生成占空比大约为百分之六十的脉冲数据信号的差分信号的行为。
图7B图示说明了响应于图7A中图示说明的差分信号的脉冲数据输出信号的时序特性。
图8根据图5中示出的占空比控制电路的实施方案示出了差分放大器。
图9根据图5中示出的占空比控制电路的实施方案示出了输入级放大器的示意图。
具体实施方式
在整个说明书中提及“一个实施方案”或“实施方案”是指关于该实施方案所描述的具体特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，短语“在一个实施方案中”或“实施方案”在整篇说明书中不同地方的出现不一定全是指同一个实施方案。此外，所述具体的特征、结构或特性可以在一个或更多个实施方案中被组合起来。
这里提及的“机器可读”指令是指可被一台或更多台机器理解、用于完成一项或更多项逻辑操作的表示形式。例如，机器可读指令可以包括可被处理器编译器解译、用于对一个或更多个数据对象执行一项或更多项操作的指令。然而，这仅仅是机器可读指令的实施例，本发明的实施方案在这方面并不受限。
这里提及的“机器可读介质”是指能够保存可被一个或更多个机器理解的表达式的介质。例如，机器可读介质可以包括一个或更多个用于存储机器可读指令或数据的存储器件。这样的存储器件可以包括存储介质，例如光、磁或半导体存储介质。然而，这仅仅是机器可读介质的实施例，本发明的实施方案在这方面并不受限。
这里提及的“逻辑”是指用于执行一项或更多项逻辑操作的结构。例如，逻辑可以包括基于一个或更多个输入信号提供一个或更多个输出信号的电路。这样的电路可以包括接收数字输入并提供数字输出的有限状态机，或者响应于一个或更多个模拟输入信号提供一个或更多个模拟输出信号的电路。可以在专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)中提供这样的电路。另外，逻辑可以包括存储在存储器中的机器可读指令连同执行这些机器可读指令的处理电路。然而，这些仅仅是可以提供逻辑的结构的实施例，本发明的实施方案在这方面并不受限。
这里提及的“脉冲数据信号”是指依照脉冲型信号轮廓来传送能量的信号。脉冲数据信号可以在高能量状态和低能量状态之间波动，以代表信息。例如，脉冲数据信号可以在“信号周期”上在高信号电压和低信号电压之间波动，其中在高信号电压和低信号电压之间的跳变在所述信号周期中近似是瞬时的。在该实施例中，脉冲数据信号可以在每个信号周期中传送单个比特。在每个信号周期的一个部分中，“脉冲周期”可以利用该脉冲周期上高信号电压的出现来代表一个符号(例如“1”)，并且利用在该脉冲周期上低信号电压的出现来代表另一个符号(例如“0”)。然而，这些仅仅是脉冲数据信号的实施例，本发明的实施方案在这些方面并不受限。
这里提及的“占空比”是指脉冲数据信号的信号周期的持续时间和脉冲周期的持续时间之间的关系。占空比可以被表示为信号周期持续时间中被脉冲周期覆盖的百分比。例如，占空比50％可以表示脉冲周期占据信号周期的一半，占空比25％可以表示脉冲周期占据信号周期的四分之一。
这里提及的信号的“平均功率”是指在时间段(over time period)上传送的平均功率。在脉冲周期中传送高信号电压(例如，代表“1”)的脉冲数据信号可传送的平均功率可以根据与脉冲周期相关联的占空比而变化。这样的脉冲数据信号例如可以利用较高的占空比传送较高的平均功率，利用较低的占空比传送较低的平均功率。然而，这仅仅是可以如何确定信号的平均功率的一个实施例，本发明的实施方案在这方面并不受限。
这里提及的“差分信号”是指可以在导电端子对(pair)上传送的信号。差分信号可以包括幅度受信息调制的电压信号。例如，差分信号可以包括横跨在导电端子对上的电压信号。然而，这些仅仅是差分信号的实施例，本发明的实施方案在这些方面并不受限。
简言之，本发明的实施方案涉及用于控制脉冲数据信号的占空比的设备和方法。可以响应于输入信号生成脉冲数据输出信号，其中脉冲数据输出信号包括一个占空比。脉冲数据输出信号的占空比至少可以部分基于脉冲数据输出信号的平均功率的近似值来调整。然而，这仅仅是一个示例性的实施方案，其他实施方案在这些方面并不受限。
图2根据本发明的实施方案示出了向光传输介质发送数据以及从光传输介质接收数据的系统的示意图。光收发机102可以向光传输介质(例如光导纤维电缆)发射光信号110或者接收光传输介质中的光信号112。光收发机102可以根据任何光数据传输格式来调制发射信号110或者解调接收信号112，所述光传输格式例如是波分复用波分多路复用(WDM)或者多振幅信号(MAS)。例如，光收发机102的发射机部分可以利用WDM向光传输介质中发射多“路”数据。
物理介质相关(PMD)区段104可以提供诸如TIA(未示出)和/或限幅放大器(LIA)(未示出)的电路，用以响应于接收的光信号112从光收发机102接收并调节电信号。PMD区段104还可以从激光驱动器电路(未示出)向光收发机102中的激光器件(未示出)提供能量，用于发射光信号。物理介质附接(PMA)区段106可以包括时钟和数据恢复电路(未示出)和解复用电路(未示出)，以从接收自PMD区段104的调节后信号中恢复数据。PMA区段106还可以包括复用电路(未示出)，用于在多条数据路中向PMD区段104发送数据，还包括串行器/解串器(Serdes)，用于将来自层2区段108的并行数据信号串行化，并且基于时钟和数据恢复电路提供的串行数据信号向层2区段108提供并行数据信号。
根据一个实施方案，层2区段108可以包括介质访问控制(MAC)设备，该设备在如IEEE标准802.3ae-2002，第46款定义的介质无关接口(MII)上耦合到PMA区段106。在其他实施方案中，层2区段108可以包括前向纠错逻辑和成帧器，用以根据国际电信联盟(ITU)公布的同步光网络/同步数字层级(SONET/SDH)标准的某一版本来发送和接收数据。然而，这些仅仅是可以提供在光传输介质上传输的并行数据信号的层2设备的实施例而已，本发明的实施方案在这些方面并不受限。
层2区段108还可以耦合到任意的几个输入/输出(I/O)系统(未示出)，用于在处理平台上与其他设备通信。这样的I/O系统例如可以包括耦合到处理系统或多端口交换结构的复用数据总线。层2区段108还可以通过分组(packet)分类设备被耦合到多端口交换结构。然而，这些仅仅是可被耦合到层2设备的I/O系统的实施例而已，本发明的实施方案在这些方面并不受限。
层2区段108还可以在印刷电路板上通过背板(backplane)接口(未示出)被耦合到PMA区段106。这样的背板接口可以包括提供如IEEE标准802.3ae-2002第47款中规定的10吉比特以太网附接单元接口(XAUI)的设备。在其他实施方案中，这样的背板接口可以包括如光互联连网论坛(OIF)所定义的系统分组接口(SPI)的几个版本中的任何一个。然而，这些仅仅是将层2设备耦合到PMA区段的背板接口的实施例而已，本发明的实施方案在这些方面并不受限。
图3根据图2中示出的系统的实施方案示出了向光传输介质发送数据以及从光传输介质接收数据的系统200的示意图。光收发机202包括在光传输介质中发送光信号210的激光器件208以及从光传输介质接收光信号212的光探测器(photo detector)区段214。光探测器区段214可以包括一个或更多个光电二极管(未示出)，用于将接收的光信号212转换成一个或更多个提供给互阻抗放大器/限幅放大器(TIA/LIA)电路220的电信号。激光驱动器电路222可以响应于来自PMA区段232的数据信号来调制电流信号216。接着，激光器件208可以响应于电流信号216来调制被发送的光信号210并且为被发送的光信号210提供能量。
图4根据图3中示出的PMD区段的实施方案示出了激光驱动器300的示意图。可以在输入放大器302处从PMA区段接收二进制符号流形式的数据，例如由“1”和“0”组成的符号流。二进制符号可以被表示为双电平信号。重定时电路304可以响应于时钟信号来调整二进制符号的时间间隔。占空比控制电路306可以响应于重定时后的二进制流向放大器308提供脉冲数据输出信号。虽然输入放大器302和重定时电路304被示为PMD区段的一部分，但是应当认识到，这样的输入放大器和重定时电路也可以配备在耦合到PMD区段的PMA区段中，所述PMD区段中包括激光驱动器电路。输出级电路310可以响应于放大器308的放大脉冲数据输出信号，并且基于由输出功率控制电路312确定的偏置电流和调制电流的设定水平来提供驱动激光二极管314的电流信号。
图5根据图4中示出的激光驱动器的实施方案示出了占空比控制电路400的示意图。占空比控制电路400可以形成在单个半导体器件或多个半导体器件中。可替换地，占空比控制电路400可以包括一个或更多个“片外”组件，这些组件被耦合到形成在半导体器件中的器件。响应于在输入端子从重定时电路对二进制符号流的接收，放大器402可以在输出端408和410上生成差分电压(Va和Vb)。硬限幅电路或限幅放大器404可以响应于差分电压Va-Vb，在差分端子414上生成脉冲数据输出信号。电流导引器件406可以通过从输出端子408拉出电流或者向输出端子408添加电流(拉出或添加电流ia)以及从输出端410拉出电流或者向输出端410添加电流(拉出或添加电流ib)，从而影响脉冲数据输出信号的占空比。例如，电流导引器件406可以引起“电流偏斜”，其中电流导引器件从一个输出端子408或410拉出一定量的电流，并将拉出的电流添加到另一个输出端子。然而，这仅仅是电流导引器件可被如何用来调整脉冲数据输出信号的占空比的一个实施例而已，本发明的实施方案在这方面并不受限。
图6A到7B根据占空比控制电路400的实施方案图示了电流导引器件406可以如何通过向端子408和410添加电流或者从中拉出电流而影响脉冲数据输出信号的占空比。在每个信号周期τ内可以传送一个二级制符号(例如“1”或“0”)。简单起见，假设在每个信号周期τ上正在传送的是二进制“1”，使得硬限幅电路404可以在每个信号周期τ中的脉冲周期内生成高信号电压。然而，应当理解，二进制信号流可以包括随机混合的“1”和“0”符号。信号周期τ内的脉冲周期的长度可以利用Va-Vb响应于符号周期τ期间的二进制符号“1”超过阈值电压Vo的持续时间来确定。因此，硬限幅电路404可以在Va-Vb超过阈值电压Vo时在端子414上生成一个设定的高信号电压。
图6A图示说明了端子408和410之间用于生成占空比大约为百分之五十的脉冲数据信号的差分信号的行为。电流导引器件406可以设置ia和ib，使得Va-Vb响应于“1”在大约一半的信号周期τ上超过阈值电压Vo，从而获得占据信号周期τ一半的脉冲周期，并且获得大约百分之五十的占空比。图6B图示说明了响应于图6A中图示说明的差分信号生成的脉冲数据输出信号的时序。脉冲周期占据了1/2τ，在这期间脉冲数据输出信号具有高信号电压VH。在信号周期的剩余部分上，脉冲数据输出信号下降为低信号电压VL。
图7A图示说明了用于生成占空比大约为百分之六十的脉冲数据信号的差分信号的行为。电流导引器件406可以设置ia和ib，使得Va-Vb响应于“1”在大约百分之六十的信号周期τ上超过阈值电压Vo，从而获得占据信号周期τ一半的脉冲周期，并且获得大约百分之六十的占空比。图7B图示说明了响应于图7A中图示说明的差分信号生成的脉冲数据输出信号的时序。脉冲周期占据了0.6τ，在这期间脉冲数据输出信号具有高信号电压VH。在信号周期的剩余部分上，脉冲数据输出信号下降为低信号电压VL。应当理解，图6A到图7B仅仅图示说明了电流导引器件406可以如何将占空比调整为大约百分之五十和百分之六十，以及电流导引器件406可以将占空比调整为小于百分之五十或大于百分之六十的实施例。
根据实施方案，电流导引器件406可以响应在端子414上提供的脉冲数据输出信号的平均功率的近似值。在当前图示的实施方案中，假设脉冲数据输出信号可以在相等的可能性下传送“1”或“0”。因此，在任意信号周期的脉冲周期期间，脉冲数据输出信号可以在相等的可能性下处于高信号电压或低信号电压。差分放大器412可以接收脉冲数据输出信号，并且向运算放大器416的反相输入端子和非反相输入端子提供差分电压。
电容器422可以耦合到电流导引器件406的第一输入端子和运算放大器416的输出端子。电容器422可以从运算放大器416的输出端子接收放大后的信号并进行积分，以在电流导引器件406的第一输入端子上保持一个代表了(即脉冲数据输出信号的)平均功率近似值的电压。响应于第一输入端子上的电压和电流导引器件406的第二输入端子上的参考电压Vref之间的差值，电流导引器件406可以调整电流ia和ib，以如上所述地调整或保持脉冲数据输出信号的占空比。
根据一个实施方案，电容器422可以基于与脉冲数据输出信号相关联的最高频率(例如，高达10、40或100吉赫兹)来调整大小，以稳定回路。此外，电容器422可以作为片外电容器被耦合到电流导引器件406和运算放大器416。
根据实施方案，电位器(potentiometer)418可被用来分配电压源Vcc和差分放大器412的输出端子之间的电阻。通过设置电位器418，可以使差分放大器412的增益变大或变小，使得从运算放大器416提供到电流导引器件406的电压相应增大或减小。虽然占空比控制电路400可以被形成在单个半导体器件中，但是在一个实施方案中，电位计418可以包括片外器件，该器件可以手动设置来影响脉冲数据输出信号的占空比。
图8根据图5中示出的差分放大器412的实施方案示出了差分放大器500。差分放大器500可以接收脉冲数据输出信号，该信号作为差分信号被施加到晶体管506和508的基极端子，并且在输出端子502和504(例如，向运算放大器416)提供差分输出信号。在差分放大器的替换实施方案中，可以在双极型晶体管的基极端子接收脉冲数据输出信号，该双极型晶体管在差分输出端子提供输出电压。无论使用场效应晶体管还是双极型晶体管来形成差分放大器412，晶体管都被形成为对预想工作频率(例如10、40或100吉赫兹)的脉冲数据输出信号进行响应，以便在电容器422上获得平均功率的准确近似值。
电阻器R1和R2可以代表在电压源Vcc和输出端子502和504中每一个之间分配的电阻，用以影响差分放大器500的增益。例如，电位器(例如电位器418)可被设置为在电压源Vcc和输出端子502和504中每一个之间分配总电阻RT(在当前图示的实施方案中RT＝R1+R2)。总电阻RT的各个端子可以分别耦合到差分放大器412的相应输出端子，并且电位器48可被设置为将电压源Vcc放置在总电阻RT的端子之间的某个位置上。
图9根据图5中示出的输入级放大器402的实施方案示出了输入级放大器600的示意图。可以在双极型晶体管602和604的基极端子接收差分数据输入信号，以引导尾电流Io的各个部分穿过电阻器R，并且在差分输出端子(例如差分输出端子408和410)上提供电压Va和Vb。电流源606和608可以模拟电流ia和ib，这两个电流受电流导引器件406的控制，以如上所述地使端子408和410上的电流发生偏斜。在当前图示的实施方案中，尾电流Io可以设置为使得电流偏斜(即，ia-ib)不超过尾电流Io。
虽然已经图示说明并描述了目前被认为是本发明的示例性实施方案的内容，但是本领域的技术人员将会理解：可以作出各种修改，并且可以用等同物来替换，而不会偏离本发明的真实范围。此外，很多修改可以使得某一具体的情况适于本发明的教导，而不会偏离这里描述的核心创新思想。因此，本发明不限制为所公开的具体实施方案，而是可以包括落入所附权利要求书的范围的所有实施方案。

Claims (17)

1.一种激光驱动器电路，包括：
输入级，所述输入级用来接收输入信号；
限幅放大器，所述限幅放大器响应于所述输入信号生成脉冲数据输出信号，所述脉冲数据输出信号包括占空比；
输出级，所述输出级基于所述脉冲数据输出信号调制输出电流信号；以及
占空比控制电路，所述占空比控制电路至少部分基于所述脉冲数据输出信号的平均功率的近似值来控制所述脉冲数据输出信号的所述占空比。
2.如权利要求1所述的激光驱动器电路，其中所述输入信号包括双极信号。
3.如权利要求1所述的激光驱动器电路，其中所述输入级在耦合到所述限幅放大器的第一和第二端子上生成差分信号，并且其中所述占空比控制电路包括电流导引电路，该电流导引电路响应于所述脉冲数据输出信号的所述平均功率的所述近似值，向所述第一和第二端子的至少一个上施加偏移电流。
4.如权利要求1所述的激光驱动器电路，其中所述占空比控制电路还包括电位器，所述电位器可被设置为调整所述脉冲数据输出信号的占空比。
5.如权利要求4所述的激光驱动器电路，其中所述占空比控制电路还包括响应于所述脉冲数据输出信号在第一和第二端子上生成差分电压的差分放大器，并且其中所述电位器被耦合到所述差分放大器，以确定在电压源和所述第一和第二端子的至少一个之间的电阻，从而影响所述差分电压。
6.如权利要求5所述的激光驱动器电路，其中所述电位器可被设置为分配耦合在所述电压源和所述第一和第二端子每一个之间的电阻。
7.一种用于生成脉冲数据输出信号的方法，包括：
响应于输入信号生成脉冲数据输出信号，所述脉冲数据输出信号包括占空比；
至少部分基于所述脉冲数据输出信号的平均功率的近似值来控制所述脉冲数据输出信号的所述占空比。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述方法还包括：
响应于所述输入信号在限幅放大器的第一和第二端子上生成差分信号；以及
响应于所述脉冲数据输出信号的所述平均功率的所述近似值，向所述第一和第二端子的至少一个上施加偏移电流。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述方法还包括设置电位器来调整所述脉冲数据输出信号的所述占空比。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述方法还包括：
响应于所述脉冲数据输出信号在差分放大器的第一和第二端子上生成差分电压；以及
设置所述电位器来确定在电压源和所述第一和第二端子的至少一个之间的电阻，从而影响所述差分电压。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述方法还包括设置所述电位器来分配耦合在所述电压源和所述第一和第二端子每一个之间的电阻。
12.一种用于传输数据的系统，包括：
串行器，所述串行器响应于并行数据信号提供串行数据信号；
激光器件，该器件被调适为耦合到光传输介质，以响应于电流信号向所述光传输介质中发射光信号；和
激光驱动器电路，包括：
输入级，所述输入级用来接收输入信号；
限幅放大器，所述限幅放大器响应于所述输入信号生成脉冲数据输出信号，所述脉冲数据输出信号包括占空比；
输出级，所述输出级基于所述脉冲数据输出信号调制所述电流信号；以及
占空比调整电路，所述占空比调整电路至少部分基于所述脉冲数据输出信号的平均功率的近似值来调整所述脉冲数据输出信号的所述占空比。
13.如权利要求12所述的系统，所述系统还包括提供所述并行数据信号的SONET成帧器。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述系统还包括耦合到所述SONET成帧器的交换结构。
15.如权利要求12所述的系统，所述系统还包括在介质无关接口上提供所述并行数据信号的以太网MAC。
16.如权利要求15所述的系统，其中所述系统还包括耦合到所述以太网MAC的复用数据总线。
17.如权利要求15所述的系统，其中所述系统还包括耦合到所述以太网MAC的交换结构。
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