CN215221267U - 一种激光器消光比检测电路 - Google Patents
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Abstract
一种激光器消光比检测电路，属于集成电路中的消光比检测技术领域，本实用新型为解决激光器消光比检测电路无法最大限度的时刻监测激光器发光效率，影响了光信号的传输质量的问题。本实用新型包括开关S1、开关S2、跨阻放大器A1、跨阻放大器A2、电流源I1、电流源I2、电流源I3、电流源I4、钟控比较器COMP1、钟控比较器COMP2、钟控比较器COMP3、可变增益放大器VGA1、可变增益放大器VGA2、带通滤波器fil1、带通滤波器fil2、鉴频器PD和APC逻辑控制单元，实时比较监视电流中的交流部分impd与参考电流itarget的相位关系，进而调整调制电流Im大小，通过时刻监测激光器发光效率才提高光信号的传输质量。
Description
技术领域
本实用新型属于集成电路中的消光比检测技术领域。
背景技术
在光纤通信集成电路的发射端，激光驱动器按照数据流的逻辑值开启或者关闭激光器，并使用光纤远距离传递光信号到光线路终端，再通过跨阻放大器将电流信号转换为电压信号。激光器必须被偏置在阈值附近，以便电流迅速地增加来接通激光器。因此激光驱动器必须提供一个偏置电流和调制电流。激光器的偏置电流需要不断的对温度变化和老化做出调整，调制电流也需要对激光器的发光效率做出改变。
本发明涉及的是一种激光器消光比检测电路设计内容。
图1给出了常用的激光器消光比检测电路的结构。图1中，D0为激光器，其被电流源Ib偏置在阈值发光点附近，电流源Im给激光驱动器(MOS管NM1、NM2和电阻R1构成)提供调制电流，数据流DATE转换成调制电流驱动激光器D0开启和关闭传递数据。半导体激光器的阈值电流和发光效率会随温度和使用时长而变化。半导体激光器的阈值电流随着温度的升高而明显增大，发光效率会随着温度的升高而降低。半导体激光器阈值电流和发光效率的漂移，给其应用带来很大不便。为了克服这些弊病，必须对输出功率进行控制，使激光器的工作能够维持在正确的工作点上。
光电二极管D1将激光器D0发出的光转化成监视电流IMPD通过片内电阻R2将电流转化成电压，片外电容C1滤除电流信号IMPD中的交流分量，保留直流分量，该直流分量即为激光器D0的平均光功率。平均光功率电压与参考电压Vref进行比较，误差放大器A1输出误差电压来调整激光器D0的偏置电流Ib大小，从而使得平均光功率满足设计要求。
环境温度探测器TS检测激光驱动器的工作温度，相似的反应出激光器的工作温度，根据使用需求提前设定调制电流的补偿范围，通过模数转换电路DAC和偏置电路V2I调整调制电流源Im的电流大小，从而使得激光器满足一定的发光效率要求。
实际应用中，为了滤除光电二极管D1输出监视电流IMPD中的交流分量，片外电容C1必须足够大，以提供一个随着时间缓慢衰减的直流分量，准确的反应出平均光功率，大电容不仅占据大的面积而且提高了生产成本。在激光器的发光效率调整部分，温度探测器TS只探测芯片内部温度，相似的模拟激光器的工作温度，两者间存在着不精确性，并且激光器的老化也会严重影响发光效率，因此该调整部分不能精确的探测出激光器的发光效率，调整的调制电流大小和理想值存在偏差，从而影响了光信号的传输质量。
实用新型内容
本实用新型目的是为了解决激光器消光比检测电路无法最大限度的时刻监测激光器发光效率，影响了光信号的传输质量的问题，提供了一种激光器消光比检测电路。
本实用新型所述一种激光器消光比检测电路，包括开关S1、开关S2、跨阻放大器A1、跨阻放大器A2、电流源I1、电流源I2、电流源I3、电流源I4、钟控比较器COMP1、钟控比较器COMP2、钟控比较器COMP3、可变增益放大器VGA1、可变增益放大器VGA2、带通滤波器fil1、带通滤波器fil2、鉴频器PD和APC逻辑控制单元；
开关S1的正端同时连接光电二极管D1的阳极、跨阻放大器A1的反相输入端、电流源I2的正极；
开关S1的负端连接电流源I1的正端；
开关S2的正端同时连接跨阻放大器A2的反相输入端、电流源I4的正端；
开关S2的负端连接电流源I3的正端；
跨阻放大器A1的输出端同时连接钟控比较器COMP1的同相输入端、可变增益放大器VGA1的输入端；
钟控比较器COMP1的输出端连接APC逻辑控制单元的输入端；
APC逻辑控制单元的输出端连接激光驱动器的电流偏置电流源；
跨阻放大器A2的输出端连接可变增益放大器VGA2的输入端；
可变增益放大器VGA1的输出端连接带通滤波器fil1的输入端；
可变增益放大器VGA2的输出端连接带通滤波器fil2的输入端；
带通滤波器fil1的输出端连接鉴频器PD的一输入端口；
带通滤波器fil2的输出端连接鉴频器PD的另一输入端口；
鉴频器PD的一输出端口同时连接钟控比较器COMP2的正相输入端、钟控比较器COMP2的反相输入端口；
鉴频器PD的另一输出端口同时连接钟控比较器COMP3的反相输入端、钟控比较器COMP2的正相输入端口；
开关S1、S2的控制端同时连接输入端口DATE；
钟控比较器COMP2的输出端连接反向电压端口VN；
钟控比较器COMP3的输出端连接正向电压端口VP；
电流源I1、I2、I3、I4的负端同时连接GND；
跨阻放大器A1的正相输入端、跨阻放大器A2的正相输入端、钟控比较器COMP1的反相输入端同时连接参考电压输入端口Vref。
优选地，还包括反馈电阻R1，所述反馈电阻R1跨接在跨阻放大器A1的反相输入端和输出端之间。
优选地，还包括反馈电阻R2，所述反馈电阻R2跨接在跨阻放大器A2的反相输入端和输出端之间。
本实用新型的有益效果：本实用新型提出一种激光器消光比检测电路,摒弃传统探测芯片温度模拟激光器工作温度进而调整调制电流改变消光比的技术，采用新型的监视电流相位比较技术，实时比较监视电流中的交流部分impd与参考电流itarget的相位关系，进而调整调制电流Im大小，通过时刻监测激光器发光效率才提高光信号的传输质量。
附图说明
图1是常用的激光器消光比检测电路原理图；
图2是本实用新型所述激光器消光比检测电路的结构示意图；
图3是调制电流信号逻辑电平示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图2和图3实施方式，本实施方式所述一种激光器消光比检测电路，包括开关S1、开关S2、跨阻放大器A1、跨阻放大器A2、电流源I1、电流源I2、电流源I3、电流源I4、钟控比较器COMP1、钟控比较器COMP2、钟控比较器COMP3、可变增益放大器VGA1、可变增益放大器VGA2、带通滤波器fil1、带通滤波器fil2、鉴频器PD和APC逻辑控制单元；
开关S1的正端同时连接光电二极管D1的阳极、跨阻放大器A1的反相输入端、电流源I2的正极；
开关S1的负端连接电流源I1的正端；
开关S2的正端同时连接跨阻放大器A2的反相输入端、电流源I4的正端；
开关S2的负端连接电流源I3的正端；
跨阻放大器A1的输出端同时连接钟控比较器COMP1的同相输入端、可变增益放大器VGA1的输入端；
钟控比较器COMP1的输出端连接APC逻辑控制单元的输入端；
APC逻辑控制单元的输出端连接激光驱动器的电流偏置电流源；
跨阻放大器A2的输出端连接可变增益放大器VGA2的输入端；
可变增益放大器VGA1的输出端连接带通滤波器fil1的输入端；
可变增益放大器VGA2的输出端连接带通滤波器fil2的输入端；
带通滤波器fil1的输出端连接鉴频器PD的一输入端口；
带通滤波器fil2的输出端连接鉴频器PD的另一输入端口；
鉴频器PD的一输出端口同时连接钟控比较器COMP2的正相输入端、钟控比较器COMP2的反相输入端口；
鉴频器PD的另一输出端口同时连接钟控比较器COMP3的反相输入端、钟控比较器COMP2的正相输入端口；
开关S1、S2的控制端同时连接输入端口DATE；
钟控比较器COMP2的输出端连接反向电压端口VN；
钟控比较器COMP3的输出端连接正向电压端口VP；
电流源I1、I2、I3、I4的负端同时连接GND；
跨阻放大器A1的正相输入端、跨阻放大器A2的正相输入端、钟控比较器COMP1的反相输入端同时连接参考电压输入端口Vref。
跨阻放大器A1的反相输入端和输出端之间设置反馈电阻R1，跨阻放大器A2的反相输入端和输出端之间设置反馈电阻R2。
本实施方式提出了一种激光器消光比检测电路，其中消光比检测是该电路实现方式的关键。
在阐述常用的激光器消光比检测电路中，需要用温度传感器探测芯片内部温度模拟激光器工作温度，再对激光器消光比由于温度波动引起的变化进行调制电流补偿。该方式无法真实还原激光器的发光效率(温度和老化都会影响消光比)。
图2提出的新型激光器消光比检测电路，解决了常用的激光器消光比检测电路中模拟激光器环境变量进而根据预设值补偿调制电流的不精确性，其工作原理如下：
将电信号的数据流DATA，通过开关S1和S2的开启与关断，在电流源I1、I2，I3、I4，转化为电流信号，该信号包含交直流分量。
电流源I1和I3流过的电流值大小为逻辑电流值I1与逻辑电流值I0，二者差值即：
I1-I0(1)
电流源I2和I4流过的电流值大小为逻辑电流值I0，直流Iapc_set(平均光功率)大小为：
行为一：
该激光器消光比检测电路，需要在平均光功率稳定的基础上进行探测。光电二极管D1时刻监测激光器D0的发光信息(平均光功率、消光比)输出交直流电流信号IMPD，其直流分量Impd与直流Iapc_set(平均光功率)进行比较。
①当Impd大于Iapc_set(激光器平均光功率过高)时，多余的电流通过跨阻放大器A1转换成电压，钟控比较器COMP1的正相输入端电压小于反相输入端电压Vref，钟控比较器COMP1输出逻辑电平0，该结果存储在APC(Automatic Power Control的缩写，自动功率控制)逻辑控制单元中，减小激光器D0的偏置电流，最终使其值达到目标平均光功率，即直流量Impd＝Iapc_set；
②当Impd小于Iapc_set(激光器平均光功率过小)时，多余的电流通过跨阻放大器A1转换成电压，钟控比较器COMP1的正相输入端电压大于反相输入端电压Vref，钟控比较器COMP1输出逻辑电平1，该结果存储在APC逻辑控制单元中，增大激光器D0的偏置电流，最终使其值达到目标平均光功率，即直流量Impd＝Iapc_set
行为二：
本发明电路，在完成平均光功率的调整之后，进行消光比的检测。
数据流DATA通过开关S1和S2，将交流电信号转化成交流电流信号，因此iapc_set、itarget同时拥有目标消光比信息，电流itarget通过跨阻放大器A2的反馈电阻R2，放大为具有参考相位的电压值TIA_ref。
①当激光器的消光比大于目标消光比，即光电二极管D1输出电流的交流部分impd幅值大于交流电流iapc_set的幅值，两者做差，该小信号电流流过跨阻放大器A1的反馈电阻R1转化为电压TIA_residue，且该电压相位与参考电压TIA_ref相位反相。电压TIA_residue与电压TIA_ref分别通过可变增益放大器VGA1和VGA2的幅值放大，fil1和fil2对两信号带通滤波，鉴相器PD比较出两电压信号为反相，最终VN输出逻辑电平0，VP输出逻辑电平1，减小激光器的调制电流值。
②当激光器的消光比小于目标消光比，即光电二极管D1输出电流的交流部分impd幅值大于交流电流iapc_set的幅值，两者做差，该小信号电流反相抽取流过跨阻放大器A1反馈电阻R1的电流并且转化为电压TIA_residue，且该电压相位与参考电压TIA_ref相位同相。电压TIA_residue与电压TIA_ref分别通过可变增益放大器VGA1和VGA2的幅值放大，fil1和fil2对两信号带通滤波，鉴相器PD比较出两电压信号为同相，最终VN输出逻辑电平1，VP输出逻辑电平0，增大激光器的调制电流值。
目标平均光功率和目标消光比需植入到逻辑电流值I0和逻辑电流值I1中，推导公式如下：
以上公式推导中，ER为目标消光比，Iapc_set为目标平均光功率。因此逻辑电流值均含有平均光功率和消光比信息。
本实施方式提出的激光器消光比检测电路，在激光器的平均消光比趋于目标平均消光比之后进行幅值比较，最后转换成相位信息输送到鉴相器，判别结果控制调制电流源增大或者减小，达到最终稳定消光比的目的。该方法为集成电路中自动控制方式的一种，能够很好的解决现有电路不能跟随中激光器发光状态快速做出调整的问题。
Claims (3)
1.一种激光器消光比检测电路，其特征在于，包括开关S1、开关S2、跨阻放大器A1、跨阻放大器A2、电流源I1、电流源I2、电流源I3、电流源I4、钟控比较器COMP1、钟控比较器COMP2、钟控比较器COMP3、可变增益放大器VGA1、可变增益放大器VGA2、带通滤波器fil1、带通滤波器fil2、鉴频器PD和APC逻辑控制单元；
开关S1的正端同时连接光电二极管D1的阳极、跨阻放大器A1的反相输入端、电流源I2的正极；
开关S1的负端连接电流源I1的正端；
开关S2的正端同时连接跨阻放大器A2的反相输入端、电流源I4的正端；
开关S2的负端连接电流源I3的正端；
跨阻放大器A1的输出端同时连接钟控比较器COMP1的同相输入端、可变增益放大器VGA1的输入端；
钟控比较器COMP1的输出端连接APC逻辑控制单元的输入端；
APC逻辑控制单元的输出端连接激光驱动器的电流偏置电流源；
跨阻放大器A2的输出端连接可变增益放大器VGA2的输入端；
可变增益放大器VGA1的输出端连接带通滤波器fil1的输入端；
可变增益放大器VGA2的输出端连接带通滤波器fil2的输入端；
带通滤波器fil1的输出端连接鉴频器PD的一输入端口；
带通滤波器fil2的输出端连接鉴频器PD的另一输入端口；
鉴频器PD的一输出端口同时连接钟控比较器COMP2的正相输入端、钟控比较器COMP2的反相输入端口；
鉴频器PD的另一输出端口同时连接钟控比较器COMP3的反相输入端、钟控比较器COMP2的正相输入端口；
开关S1、S2的控制端同时连接输入端口DATE；
钟控比较器COMP2的输出端连接反向电压端口VN；
钟控比较器COMP3的输出端连接正向电压端口VP；
电流源I1、I2、I3、I4的负端同时连接GND；
跨阻放大器A1的正相输入端、跨阻放大器A2的正相输入端、钟控比较器COMP1的反相输入端同时连接参考电压输入端口Vref。
2.根据权利要求1所述一种激光器消光比检测电路，其特征在于，还包括反馈电阻R1，所述反馈电阻R1跨接在跨阻放大器A1的反相输入端和输出端之间。
3.根据权利要求1所述一种激光器消光比检测电路，其特征在于，还包括反馈电阻R2，所述反馈电阻R2跨接在跨阻放大器A2的反相输入端和输出端之间。
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