CN201549765U

CN201549765U - 半导体激光器驱动模块

Info

Publication number: CN201549765U
Application number: CN2009202512102U
Authority: CN
Inventors: 王卫龙; 朱力; 陈伟峰; 杨林; 沈通
Original assignee: Tianjin Optical Electrical Communication Technology Co Ltd
Current assignee: Tianjin Optical Electrical Communication Technology Co Ltd
Priority date: 2009-12-02
Filing date: 2009-12-02
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2019-12-02

Abstract

本实用新型涉及一种半导体激光器驱动模块，APC及其参数检测电路由比较电路、误差积分电路、功率检测电路、激光电流驱动电路组成；ATC及其工作参数检测电路由比较电路、误差积分电路、温度检测电路及制冷电流驱动电路组成，通过APC及其参数检测电路的功能实现激光器光功率的稳定输出、通过ATC及其参数检测电路控制流过致冷器的电流来控制激光器管芯的温度，从而达到自动温度控制的目的，激光器驱动模块全部采用模拟方式实现，电路简单，可充分满足通讯用激光器对输出光功率恒定、温度稳定性好的控制要求。

Description

半导体激光器驱动模块

技术领域

本实用新型涉及光纤通信领域，特别涉及一种半导体激光器驱动模块。

背景技术

半导体激光器作为一种电光转换器件，由于其尺寸小、重量轻、低电压驱动、量子效率高等优点，在光纤通信中得到了普遍应用。实际应用中，要求半导体有恒定的光功率、稳定的波长输出和高的可靠性。然而由于半导体激光器对温度变化的敏感性和对电冲击承受能力差等缺点，单独的激光器很难达到实际应用中的这些要求。首先温度的变化和器件的老化会给激光器带来许多不稳定因素，主要有：(1)激光器的阀值电流随温度成指数变化规律，并随器件的老化而增加，从而使输出光功率发生变化。(2)随着温度升高和器件老化，激光器的电光转换效率降低，从而使激光器的输出功率变化。(3)随着温度的不同变化，半导体激光器的光发射波长也会产生变化。其次，半导体激光器对电冲击的承受能力也很差，微小的电流将导致光功率输出和器件参数的变化，这些变化直接危及器件的安全使用。

目前大功率半导体激光器的价格虽然和以前相比，已大幅度下降，但仍然价格不菲。因此，一个好的激光器驱动模块必须具备以下两个方面的功能：(1)设计合适的电路，消除温度变化和器件老化的影响(2)设计必须的保护电路，防止瞬间电压或电流增大等电冲击，防止过驱动。

发明内容

本实用新型的目的就是为克服现有技术的不足，针对激光器对工作稳定性、可靠性及功率输出、波长稳定性的要求，提供一种新的设计方案，从而减少半导体激光器对温度变化的敏感性、增强对电冲击承受能力。

本实用新型是通过这样的技术方案实现的：半导体驱动模块主要包括基准电压产生电路、APC(自动功率控制)及其工作参数检测电路、ATC(自动温度控制)及其工作参数检测电路三部分电路，其特征在于：所述APC及其参数检测电路由比较电路、误差积分电路、功率检测电路、激光电流驱动电路组成；ATC及其工作参数检测电路由比较电路、误差积分电路、温度检测电路及制冷电流驱动电路组成。

基准电压产生电路一路连接到APC及其工作参数检测电路部分中的比较电路，比较电路连接误差积分电路，误差积分电路连接激光器电流驱动电路，激光器电流驱动电路连接到集成在激光器组件中的激光管，集成在激光器组件中的背光检测二极管连接功率检测电路，功率检测电路连接比较电路；

基准电压产生电路另一路连接到ATC及其参数检测电路部分中的比较电路，由比较电路连接误差积分电路，误差积分电路连接制冷电流驱动电路，制冷电流驱动电路连接集成在激光器组件中的制冷器，集成在激光器组件中的热敏电阻连接温度检测电路，温度检测电路连接比较电路；

基准电压产生电路主要为APC及其工作参数检测电路部分和AT及其参数检测电路部分提供基准电压。由于基准电压的变化直接影响控制的精确度，因此要求基准电压产生电路具有足够的稳定性。

半导体激光器驱动模块选用各个指标都非常优异的LM136为基准源，并通过运放产生不同的基准电压。

APC及其参数检测电路由比较电路部分的主要功能是实现激光器光功率的稳定输出。本激光器驱动模块采用恒功率驱动方式，集成在激光器组件中的背光检测二极管接收激光管的部分输出功率，由功率检测电路转化为电压，然后与基准电压比较，得到误差信号，此误差信号被积分放大后，通过电流驱动电路驱动激光器输出；调节基准电压，可以控制激光器的输出功率。

半导体激光器是电流驱动器件，输出功率和流过激光器的电流成线性关系。对于激光器的驱动一般有恒流驱动和恒功率驱动两种方式。恒流驱动是利用负反馈原理，控制流过激光器的电流，使其保持恒定，从而间接达到稳定光功率输出的目的。恒功率输出控制方式利用光电二极管检测激光器的输出功率，通过反馈电路，将其变化量直接反馈给电流驱动电路，从而达到真正的输出功率稳定的目的。恒流驱动主要有两个缺点：第一，由于半导体对温度敏感，因此，即使保持其驱动电流恒定，其输出功率也可能变化。第二，激光器经过长期使用后，电光转化效率以及阀值电流变化较大，极容易造成激光器输出功率变化，从而导致驱动模块指标下降。此模块采用恒功率输出控制电路，由于它是输出功率的直接反馈，不会有上述缺点。

ATC及其工作参数检测电路部分和APC及其参数检测电路部分结构基本类似，半导体激光器组件内部集成有制冷器，一般为帕尔制冷器。该制冷器由特殊的材料制成，当其通过直流电流时，一端致冷(吸热)，另一端放热；在激光器组件中，将致冷器的冷端贴在激光器的热沉上，测试用的热敏电阻也贴在热沉上，通过自动温度控制电路控制流过致冷器的电流就可以控制激光器管芯的温度，从而达到自动温度控制的目的。

温度检测电路利用热敏电阻电阻值随温度变化而变化的特性将温度转换成与之相对应的电压。当激光器工作温度升高时，比较放大器的输入端电平降低，而基准电压的电位不变，这样比较放大器的输出端电压升高，控制致冷驱动器，使其电流增加，即致冷器的电流增加，其致冷端温度下降，吸走增加的热量，使激光器组件的温度下降，如此反复循环调整，直到达到热平衡状态，即致冷器吸收的热量恰好等于激光器产生的热量以及由于环境温度升高增加的热量，使激光器组件内的温度维持在激光器最佳工作状态时所需要的环境温度中。

为了保证激光器模块高效可靠的运行和维护管理的方便，该控制模块同时具有激光器偏置电流检测、温度检测、制冷电流检测、输出功率检测等功能电路。另外，为保护激光器，也制作了激光器偏置电流开关功能，当远端检测发现激光器驱动异常时，可以通过在控制管脚加高电平的方式远程自动关断驱动偏置电流。

本实用新型的有益效果是：半导体激光器驱动模块全部采用模拟方式实现，电路简单，可充分满足通讯用激光器对输出光功率恒定、温度稳定性好的控制要求。

另外，该模块电路具有对激光器各工作参数的检测输出，外部接口电路可以方便地对温度，输出功率、偏置电流、制冷电流等工作进行检测，如果其中任何一项有异常，可以通过CONT接口关断激光器的偏置电流，起到保护激光器的效果。为了延长激光器的使用寿命，一般要求LD不能瞬间加电，流过LD的电流应该缓慢增大，由于APC电路具有积分项，上电时，LD的电流是缓慢增加的，很容易的达到了要求。

附图说明

图1为半导体激光器驱动模块原理框图，并作为摘要附图；

图2为基准电压产生电路原理图；

图3为APC、功率检测和偏流检测电路图；

图4为ATC、温度检测和制冷电流检测电路图。

具体实施方式

结合附图和实施例详细描述本实用新型；

如图1至图4所示，半导体驱动模块主要包括基准电压产生电路、APC(自动功率控制)及其工作参数检测电路、ATC(自动温度控制)及其工作参数检测电路三部分电路。

激光发射模块采用的激光器件是DFB激光器(分布反馈式激光器)组件。为清晰方便，在图3、图4的电路图中，DFB激光器中的制冷器、热敏电阻、背光检测二极管等被单独拿了出来，在实际电路连接时，按照图3、图4的连接关系、将对应电路连接到DFB激光器的对应管脚即可。

如图1所示，为达到激光器输出功率和工作温度的稳定，ATC、APC电路都有一个基准电压参考源。由该电路的控制原理知，基准电压的稳定度，直接影响被控量即输出功率和工作温度的稳定性，因此，提供一个稳定的参考电压源至关重要。具体电路如图2所示，其中D1是一个的稳压参考源，它有极高的温度稳定性，它与R29配合，产生2.5V的稳定电压，经过R27、R21分压后，产生2V参考电压。U3B将2V参考电压放大两倍，并通过射极跟随器提供两个4V参考电压。

如图3所示，APC及其参数检测电路部分还包括背光检测电路及激光器偏流开关电路。当背光检测二极管受到激光照射后，便会在R1上产生与光功率线性对应的电压。R2、R3、R4、R5、U2C组成的差分放大器将R1上产生的电压放大后，一路通过R7连接到U2D放大器的负输入端，一路经U2B放大器放大后输出供外部检测激光器的输出功率。U2D、C2、R7组成误差积分电路，它将U2D负输入端的背光检测电压与正输入端基准电压的差值积分后，控制Q3三极管产生对应的电流驱动LD。由于流过LD的电流与流过R16的电流相等，因此检测R16两端的电压即可检测LD的偏置电流。AD620将R16两端产生的电压放大，经U2A组成的射极跟随器输出，用于检测LD的偏置电流。4N35是一个光耦CONT控制端，通过控制它，控制4N35的5脚的电位，进而控制偏流的通断。APC具体控制过程如下：假如输出功率变大，则U2C的输出端，即背光检测电路输出端的电压也必然增加，而U2D的正输入端的参考电压并不变，如此，由U2D组成的反向误差积分电路的输出端，即Q3的基极电压则降低，促使输出端功率变小，反之亦然。

ATC及其参数检测电路由ATC、温度检测、制冷电流检测三部分电路组成。如图4所示，热敏电阻、RT3、R47、R48组成一个电桥，将温度的变化直接转化为电压，U1C将该电压积分放大后，驱动Q1和Q2组成的电流放大电路，驱动制冷器工作。U1B检测热敏电阻两端的电压，输出后用于检测激光器的工作温度。U1D放大Rb两端的电压后，通过U1A组成的射极跟随器输出，用于检测制冷电流的大小。ATC控制电路具有双向控制能力，即具有制热和制冷的能力。具体控制过程如下：在目标控制温度时，热敏电阻和RT3阻值相等，电桥电压输出为零，进而U1C的输出也为零，此时制冷电流为零，当实际工作温度大于目标温度时，由于热敏电阻是负温度系数，热敏电阻阻值变小，导致U1C的输出电压变大，TEC制冷器的电流变大，取得制冷的过程，反之道理相同。

根据上述说明，结合本领域技术可实现本实用新型的方案。

Claims

1.一种半导体激光器驱动模块，主要包括基准电压产生电路、APC及其工作参数检测电路、ATC及其工作参数检测电路三部分电路，其特征在于：所述APC及其参数检测电路由比较电路、误差积分电路、功率检测电路、激光电流驱动电路组成；ATC及其工作参数检测电路由比较电路、误差积分电路、温度检测电路及制冷电流驱动电路组成；基准电压产生电路一路连接到APC及其工作参数检测电路部分中的比较电路，比较电路连接误差积分电路，误差积分电路连接激光器电流驱动电路，激光器电流驱动电路连接到集成在激光器组件中的激光管，集成在激光器组件中的背光检测二极管连接功率检测电路，功率检测电路连接比较电路；基准电压产生电路另一路连接到ATC及其参数检测电路部分中的比较电路，由比较电路连接误差积分电路，误差积分电路连接制冷电流驱动电路，制冷电流驱动电路连接集成在激光器组件中的制冷器，集成在激光器组件中的热敏电阻连接温度检测电路，温度检测电路连接比较电路。