以突发模式工作的光发射机及以突发模式工作的光发射机的控制方法与流程

文档序号：20216801发布日期：2020-03-31 12:01阅读：173来源：国知局

本发明涉及一种光发射机和控制该光发射机的方法，更具体地，涉及一种具有减少信道之间随波长变化而发生的串扰的功能的光发射机，以及一种用于控制该光发射机以减小光发射机以突发模式工作的情况下的串扰的方法。

背景技术：

近来，被称为下一代无源光网络2(ng-pon2)的通信标准已经采用了时分波分复用(twdm)方案进行复用。twdm方案允许：连接到光纤的多个用户选择四个或八个可用波长信道中的任意一个，以及使用同一波长信道的多个用户基于仅在预定时隙上交换信号的时分复用方案来共享光纤。

在twdm方案中，四个或八个不同的波长信道被同时使用，以及波长信道被设置成使得它们间隔开100ghz。此外，当使用同一波长信道的用户之一忙于通信时，其他用户不在同一波长信道上通信。在该示例中，属于不进行通信的用户的光发射机的激光器被禁用。

在应用时分复用方案的情况下，与尚未通信的用户关联的激光源(例如半导体激光器)处于不发光的状态，以及如果从控制服务器(例如，中心局)接收到信号，则激光源可以更改状态以能够发光。

考虑到前述操作可以在通信许可被给予了每个用户的短时间段内爆炸性地发生，贯穿本公开，我们将其称为“突发模式”。

然而，在半导体激光器不发光的状态下，如果向激光器施加电流以使其能够发光，则通过流入激光器的电流而产生焦耳热，从而改变半导体激光器的有源区的温度。在下文中，为了方便描述，半导体激光器的有源区可以被称为“激光器有源区”。

例如，如果电流流过未工作的半导体激光器以发光，则由于电流的流动而产生焦耳热，并且焦耳热将被累积，从而使激光器有源区的温度逐渐升高。

因此，由于释放到外部的热量随着激光器有源区温度的上升而增加，因此当释放的热和产生的热量处于平衡时，激光器有源区的温度稳定。例如，上述温度变化发生在几毫秒之内。

另一方面，半导体激光器的波长由半导体激光器的有源区的温度来确定，因此，由于驱动电流的变化而引起的半导体激光器有源区的温度变化导致半导体激光器激射频率的变化。

半导体激光器的温度根据从半导体激光器产生的热量与放置半导体激光器的板(board)的温度来确定。激光器有源区的温度最终稳定在环境温度与从半导体激光器产生的热量处于平衡的温度下。

例如，即使半导体激光器产生特定量的热，环境温度的变化也导致放置半导体激光器的板的温度变化而破坏热平衡状态，因此引起半导体激光器的温度变化。分布式反馈激光二极管(dfb-ld)是可以用在ng-pon2中的半导体激光器之一。

然而，如上所述，半导体激光器的激射频率取决于其随环境温度变化而变化的有源区温度。通常，1度的环境温度变化可以导致半导体激光器大约90皮米的激射频率变化。

在ng-pon2标准中，其信道间隔被限定为对应于约800皮米的100ghz。因此，ng-pon2标准将半导体激光器的波长限定为稳定在期望信道的中心波长周围+/-160皮米之内。例如，产生和发射光的激光器有源区的温度需要稳定在+/-2℃之内。

由于环境温度在大约-40℃至85℃之间变化，因此应确保这种环境温度变化不会引起半导体激光器有源区的温度变化。在一个示例中，热电冷却器(tec)可以用于无论环境温度变化如何都使激光二极管芯片的温度保持恒定。

如图1中所描绘的，即使tec设备在全功率下工作，tec设备也具有非常慢的温度变化速度(例如，小于0.08°/毫秒)。然而，在ng-pon2的twdm-pon中，激光二极管芯片处于突发模式时产生的热量与其未处于突发模式时产生的热量不同，因此导致激光二极管芯片的温度变化。因此，由于对激光器的驱动而引起的激光器有源区的温度变化在短时间段(例如，从几纳秒到几微秒)内发生。

图2的上部分描绘了激光二极管芯片设置在散热器上而散热器设置在封装管座(packgestem)上的半导体激光器的结构。图2的下部分描绘了示出当半导体激光器被脉冲电流驱动信号驱动时，其上部分显示的半导体激光器的有源区基于脉冲驱动电流的脉冲宽度的温度变化的曲线图。在图2的下部分中描绘的是考虑激光器有源区温度变化的位置(半导体激光器)封装。附图标记“s”示出了半导体激光器中主要影响激光器有源区的温度变化的区域。参考图2，当半导体激光器根据脉冲状电流驱动信号而被驱动时(例如，半导体激光器处于突发模式操作下)，在激光器有源区中，根据电流驱动信号的脉冲宽度而发生迅速的温度变化。因此，随着脉冲宽度增大，有源区的温度继续升高，但是激光器有源区温度的上升速度降低。

这是因为由于脉冲电流驱动信号而产生的热能将根据与激光器有源区的距离和热扩散所在的材料的传热率而不同地影响半导体激光器的温度上升。

还参考图2，越靠近激光器有源区，半导体有源区的温度变化受到的影响越大。它示出了在几十微秒的短时间段内温度的迅速变化。

因此，如果半导体激光器以突发模式工作，则具有慢的响应速度的热电冷却器不能有效地控制激光器有源区的根据其工作期间的焦耳热而变化的温度。

图3示出了从半导体激光器的突发模式操作开始直到流逝了几微秒到几毫秒的时间为止从半导体激光器有源区提供的波长变化(或波长漂移)。由于半导体激光器的波长变化直接取决于其有源区的温度变化，因此图3所示的半导体激光器的波长变化可以被理解为是指半导体激光器有源区的温度变化。

参考图3，根据来自arrisenterprises(艾瑞斯企业)的ayhamal-banna(艾哈姆·阿尔·班纳)等人在2014年发布的文件，半导体激光器有源区的温度变化是如此之快，以至于即使在纳秒的时间内变化也可以是显著的。

在半导体激光器中产生的热量根据激光器是否以突发模式工作而不同，从而导致半导体激光器有源区中的温度迅速变化。

在驱动突发模式的半导体激光器时，已经提出了一种在激光二极管芯片上使用加热器的方法，以使得半导体激光器有源区在几纳秒至几微秒的如此短的时间段期间的温度变化最小化。

在paoli(泡利)等人(uspatentno.5140605)的专利中描述到，在大功率激光打印机中，其激光具有10纳秒到100纳秒的脉冲状“开启”时间，这可以防止激光保持恒温而使激光输出不稳定以及导致打印质量劣化。

为了使激光器的输出无论其开启/关闭操作都稳定在“开启”状态，paoli已经建议在激光二极管芯片的顶部形成金属电阻并在半导体激光器不工作时驱动加热器，以使半导体激光器的温度保持在特定水平。

图4(a)示出了如richardson(理查森)等人(u.s.patentno.5345459)的专利中所述的用于通信的半导体激光器的结构。在理查森的描述中，半导体激光器被形成为具有两个有源区，所述两个有源区中的一个用于通信，而另一个有源区相对于用于通信的有源区被交替地激活。

参考图4(a)的具有两个激光器有源区的半导体的半导体激光器结构，图4(b)描绘了当激光器有源区d被电流脉冲驱动时半导体驱动电流的时序波形。

图4(c)描绘了当参考图4(b)而描述的电流脉冲施加给激光器有源区d时从激光器有源区d发射的激光波长。

图4(d)描绘了当图4(a)的激光器有源区d被图4(b)的电流脉冲驱动时用于驱动激光器有源区(d-bar)的脉冲电流的时序波形。

图4(e)描绘了当激光器有源区d被图4(b)的电流脉冲驱动以及激光器有源区被图4(d)的电流脉冲驱动时，从激光器有源区d发射的激光波长。

在richardson的专利中，由于两个激光器有源区以相同的功率量来驱动，因此半导体激光二极管芯片的总功耗保持不变，而与用于通信的激光器有源区的操作无关，从而允许在整个半导体激光器芯片中持续产生特定量的热而与时间无关。这种基于加热器来控制激光器有源区的温度方法称为“第一加热器控制方法”。然而，尽管产生相同的热量，但是温度可以根据与热源的距离而变化，如图6所示。例如，参考图6的激光器有源区，施加给用于通信的激光器有源区a的功率对激光器有源区a的温度影响的程度与施加给未用于通信的激光器有源区b的功率对用于通信的激光器有源区a的温度影响的程度不同。

即，如richardson的专利所示，施加给用于通信的激光器有源区a的功率集中在相对窄的区域上。然而，由于施加给未用于通信的激光器有源区b的功率对用于通信的激光器有源区a的温度影响的程度受到较大区域上的平均电功率的影响，因此即使对两个有源区投入相同的功率量，也可能难以完全补偿用于通信的激光器有源区a的温度。因此，对于具有800皮米的波长信道间隔的ng-pon2，使用先前提出的方法难以防止有源区在几纳秒的时间段之内如此迅速的温度变化。

图6描绘了以下情形的相应等温分布线30：当向激光器有源区施加功率以产生热时；以及在将加热器10设置在掩埋型异质结构(bh)半导体激光器(其中激光器有源区20掩埋(或嵌入)在半导体激光芯片内部)的激光器有源区20的顶表面的情况下，向加热器10施加功率以产生热时。

从半导体激光器发射的光的波长稳定性取决于激光器有源区的温度。因此，从加热器10产生的热对激光器有源区的温度的影响比由加热器10产生的热的影响更重要。在热产生于窄区域的情况下，窄区域中的温度变得更高，以及随着离热源越远，而温度变得越低。

返回参考图2，在施加给半导体激光器的功率随时间具有脉冲形状的情况下，特定区域越靠近被投入了电功率的激光器有源区，对激光器有源区的温度上升的影响就越快。当电功率施加给半导体激光器的有源区时，由于靠近激光器有源区的区域的影响而导致的温度上升随时间非常迅速地发生，以及热扩散在整个激光二极管芯片上，因此激光器有源区中的温度随时间的上升速度变得缓和。

参考图7描述这种过程。在以突发模式运行的网络(例如ng-pon2)中，突发模式激光器的操作响应于从光线路终端(olt)接收到突发使能(ben)信号而开始，所述光线路终端是电信公司处(例如，服务提供商)的通信设备。

当突发模式激光器接收到ben信号时，特定电平的电流被施加给突发模式激光器的有源区以产生使激光器有源区的温度升高的焦耳热。

在激光器有源区中产生的热使其相邻区域的温度升高，以及该相邻区域的升高的温度再次使激光器有源区的温度升高以在激光器有源区与相邻区域之间产生温差，使得热可以扩散。

当突发模式激光器开始工作时，在初始阶段，温度由于相邻区域的影响而迅速上升，以及随着热向外扩散，激光器有源区中的温度上升曲线变得更加缓和。

激光器有源区中的温度上升取决于施加给半导体激光器的电流量。例如，在有源区长度为300微米的半导体激光器的情况下，施加100mw的功率给激光器有源区中通常会导致约20℃的温度上升。

在此，应当注意，在半导体激光器的情况下，所施加功率的一部分被转换为光，以发射到半导体激光器的芯片外部。因此，通常，所施加功率的约2/3影响激光器有源区中的温度升高。即，当在半导体激光器中产生对应于约66mw的热时，半导体激光器的温度将升高约20℃。

因此，贯穿本发明，关于施加给激光器有源区的功率、热和温度，施加给激光器有源区的功率仅是指影响热和温度的功率，而非被转化为光的一部分功率。参考图7，如果100mw的功率被施加给激光器有源区以将热电冷却器设备的温度维持在特定水平，则激光器有源区的温度变化超过20℃，从而导致大于1.8纳米的波长偏移。

还参考图7，将认识到，如先前所述，影响波长偏移的激光器功率应被理解为施加给激光器有源区的功率中的转换为热的功率而非转换为光的功率。

当激光二极管开启(例如，接收到ben信号)时，在靠近激光器有源区的区域中发生迅速的温度变化(例如，参见图7的附图标记31)，以及在离激光器有源区更远的另一个区域中发生缓和的温度变化(例如，参见图7的附图标记32)。

关于参考图7而描述的情况，超过1.8纳米的波长偏移在信道间隔为100ghz(约0.8纳米)的ng-pon2中导致跨越两个以上信道的偏移，这限制了这种类型的激光器在每个信道处用于稳定通信的操作。

图8描绘了用于说明当加热器工作时激光器有源区的温度如何随施加给加热器的功率而变化的示图。由于加热器10和激光器有源区彼此间隔开，因此即使施加给加热器的功率等于施加给激光器有源区的功率(即，被转换为热的功率)，与施加给激光器有源区的功率的幅度相比，因加热器10而引起的激光器有源区的温度上升将相对较低。

图9描绘了功率交替施加给加热器和激光器有源区的情况下激光器有源区的温度变化。由于当向激光器有源区开始施加功率时，激光器有源区的温度因加热器而已经上升，因此激光器有源区的温度同时受到因施加给激光器有源区的功率而引起的温度上升影响和因加热器关闭而引起的温度下降影响二者的影响。

然而，即使将相同量的功率施加给激光器有源区(例如，仅考虑转换为热的电功率)和加热器，功率对激光器有源区的温度的影响也不同于另一功率的影响。由于通过施加给激光器有源区的功率而引起的激光器有源区的温度变化比通过施加给加热器的功率而引起的激光器有源区的温度变化快，因此在将功率投入到激光器有源区的时刻，激光器有源区的温度开始迅速升高，但是随着时间的流逝，由于加热器的关闭，激光器有源区的温度上升将被降低，如图9所示。

即，如图9所示，通过使用以交替方式将功率施加给加热器和激光器有源区的第一加热器控制方法，激光器有源区的温度变化可以相比于图7的温度变化更小，以及激光器的波长偏移可以相应地减小。

图10描绘了当使用常规的第一加热器控制方法(其中加热器和激光器有源区被交替驱动)以及在4信道ng-pon2中的信道2的激光器在工作(例如，开启)时同时测量的信道1和2各自的响应。

在信道2的激光器以突发模式工作的情况下，在信道1处应无响应。然而，如果使用常规方法，则会发生从信道2到信道1的串扰。这表明在常规方法中，加热器不能充分抵消激光器有源区的温度变化。

即，当激光器有源区开始工作时，激光器有源区的温度处于稳定状况，但是温度将随着将功率施加给激光器有源区而升高，使得激光的波长相应地增大。

因此，当开始向激光器有源区施加功率时，激光器有源区的温度将处于最低水平，使得激光器的输出波长变得最短，从而导致在激光器的初始工作阶段朝向短波长信道的串扰。

图11是示出向激光器有源区施加的功率大于向加热器施加的功率(这将称为“第二加热器控制方法”)以防止朝向较短波长信道的串扰的情况的示图。如上所述，由于在激光器的初始工作阶段中激光器有源区的温度低，因此发生朝向较短波长信道的串扰。

参考图11，当激光器有源区的温度适当地将调节至信道2以及将功率施加给激光器有源区时，激光器有源区温度因加热器而从该温度开始迅速升高。如图11所示，激光器有源区温度升高到与比信道2更长的波长相对应的温度水平，因此导致从信道2到较长波长信道(诸如信道3)的串扰。

发明的公开内容

技术问题

一方面，本发明旨在提供一种包括半导体激光器的光发射机及其控制方法，用于通过减小半导体激光器的波长漂移来防止ng-pon2中具有100ghz信道间隔的信道之间的串扰。当半导体激光器以突发模式工作时，波长漂移可能发生在从突发的起始开始的几纳秒与几百纳秒之间。

此外，另一方面，本发明旨在提供一种包括半导体激光器的光发射机及其控制方法，用于通过向光发射机的光源施加单独的额外驱动功率而非偏置驱动功率以实质上减少在传输数据信号之前稳定波长所需的流逝时间。

技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种用于在接收到突发模式使能(ben)信号之后向包括光源的光发射机提供功率和数据信号的方法。该方法包括：向光源施加驱动功率的第一施加步骤，该驱动功率的幅度以第一平均斜率增大，该第一施加步骤在接收到ben信号之后执行；向光源施加第一调制信号的第二施加步骤，该第二施加步骤在从接收到ben信号的时间起流逝了预定时间之后执行；以及提供包括要发送的数据的第二调制信号的提供步骤，该提供步骤在第二施加步骤之后执行。

在一些实施例中，该方法还包括执行施加用于驱动光源的额外功率给光源的第三施加步骤，该第三施加步骤在接收到ben信号之后执行。

在一些实施例中，第三施加步骤包括施加在初始值处幅度以第二平均斜率增大的额外功率。

这里，初始值是在接收到ben信号之前的驱动功率或额外功率的电流值。

这里，引入第一平均斜率和/或第二平均斜率以示出也可以使用以在接收器处不可检测的频率来调制的电流驱动信号。

在一些实施例中，第二平均斜率比第一平均斜率大。

在一些实施例中，第三施加步骤包括：在第一调制信号已经施加给光源之后，在驱动功率达到参考值之前的时间处停止施加额外功率。

在一些实施例中，第二施加步骤在从接收到ben信号起流逝了30纳秒至70纳秒的时间之后开始，第三施加步骤在从接收到ben信号起流逝了40纳秒至80纳秒的时间之后结束，以及第三施加步骤在第二施加步骤开始之后结束。

在一些实施例中，第三施加步骤在所施加的额外功率的最大值低于预定电平时结束。

在一些实施例中，驱动功率以及第一调制信号和第二调制信号被提供给光发射机。

根据本发明的另一方面，提供了一种继接收到突发模式使能(ben)信号之后使用光源来发送光数据信号的光发射机。光发射机包括驱动器和光源。驱动器被配置为：继接收到ben信号之后，施加驱动功率给光源；在从接收到ben信号起流逝了预定时间之后，将第一调制信号提供给光源；以及在从提供第一调制信号起流逝了另一预定时间之后，将包括要发送的数据的第二调制信号施加给光源。光源被配置为从驱动器接收驱动功率以及第一调制信号和第二调制信号，以及将包括第二调制数据信号的光信号发送给光接收器。

在一些实施例中，驱动器还被配置为继接收到ben信号之后，与用于驱动光源的驱动功率分开地施加额外功率。

在一些实施例中，驱动器还被配置为继接收到ben信号之后，施加以第二平均斜率增大的额外功率。

在一些实施例中，第二平均斜率比第一平均斜率大。

在一些实施例中，驱动器被配置为在第一调制信号已经被施加给光源之后，在驱动功率达到参考值之前停止施加额外功率。

在一些实施例中，驱动器还被配置为：在从接收到ben信号起流逝了30纳秒至70纳秒的时间之后，将调制信号提供给光源；在从接收到ben信号起流逝了40纳秒至80纳秒的时间之后，停止施加用于驱动光源的额外功率。额外功率的施加在调制信号被提供给光源之后结束。

在一些实施例中，驱动器还被配置为在所施加的额外功率的最大值低于预定水平时，停止施加额外功率。

有益效果

如上所述，根据本发明的一些方面，可以使处于突发模式的激光器的波长偏移最小化，或者可以减少由于波长偏移而引起的对其他信道的干扰(例如，串扰)，从而允许人们在诸如具有窄信道间隔(例如100ghz)的ng-pon2之类的twdm-pon中使用半导体激光器。

另外，根据本发明的一些方面的光发射机允许人们通过向光发射机的光源施加单独的额外驱动功率而非偏置驱动功率来实质上减少在发送数据信号之前的流逝时间。

附图说明

图1描绘了表示由于热电冷却器(tec)设备而引起的温度下降速度的曲线图。

图2描绘了表示根据脉冲宽度的激光器有源区的温度变化的曲线图。

图3描绘了表示根据脉冲宽度的波长漂移的变化的曲线图。

图4描绘了根据现有技术的光发射机的示图。

图5描绘了根据现有技术的与激光器和加热器随着时间交替地工作的光发射机相关的实施例的曲线图。

图6描绘了分别表示根据现有技术的、常规光发射机内的加热器和激光器被激活的情况下的温度分布的示图。

图7描绘了表示根据现有技术的、当具有预定宽度的信号被施加给激活的常规光发射机时激光器有源区的温度变化的示图。

图8描绘了表示根据现有技术的、由于常规光发射机的加热器被激活而导致的激光器有源区的温度变化的曲线图。

图9描绘了表示根据现有技术的、当将加热器和具有预定宽度的信号交替施加给激活的常规光发射机时激光器有源区的温度变化的曲线图。

图10描绘了表示根据现有技术的、当将加热器和具有预定信号宽度的信号交替地施加给激活的常规光发射机时根据激光器有源区的温度变化而产生的信道串扰的实验结果的示图。

图11描绘了表示根据现有技术的、当将具有预定宽度的信号施加给激活的常规光发射机时激光器有源区的温度变化的示图。

图12描绘了表示根据本发明的实施例的、当根据加热器功率控制方法而将加热器和具有预定信号宽度的信号交替施加时激光器有源区的温度变化的示图。

图13描绘了表示根据本发明的实施例的、当根据加热器功率控制方法而将加热器和具有预定信号宽度的信号交替施加时从光发射机中的光源输出的激光的波长的示图。

图14描绘了表示根据本发明的实施例的、当根据加热器功率控制方法而将加热器和具有预定信号宽度的信号交替施加时激光器有源区的温度变化的示图。

图15描绘了表示根据本发明的第一实施例的在光发射机中从驱动器施加给光源的电流的曲线图。

图16描绘了表示根据本发明的第一实施例的在光发射机中从驱动器施加给光源的电流的更详细的曲线图。

图17描绘了表示根据本发明的实施例的光发射机的配置的示图。

图18描绘了表示根据本发明的第二实施例的在光发射机中从驱动器施加给光源的电流的示图。

图19是描绘了根据本发明的第二实施例的施加给光发射机的每个信号的曲线图。

图20是描绘了根据本发明的第三实施例的施加给光发射机的每个信号的曲线图。

具体实施方式

关于本发明的各种修改和实施例是可能的。具体实施例在附图中被示出并且被详细描述。

然而，这并非意在将本发明限制为特定形式的实施例，应当理解，包括了在本发明的精神和范围内所包括的所有修改、等同或替代。相同的附图标记用于表示相同的元件。

可以使用包括诸如第一、第二、a、b等序数的术语来描述各种元件，但是以上元件不应限于以上术语。这些术语仅用于区分一个元件和另一个元件。

例如，第一元件可以被称为第二元件，并且第二元件可以被称为第一元件，而不脱离本发明的范围。在本文中，术语“和/或”包括一个或多个指示物的任意组合以及全部组合。

将理解的是，当元件被称为“连接”或“耦接”到另一元件时，其可以直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。本文所使用的术语仅用于描述特定实施例，而非意在限制本发明。在本文件中单数形式的使用不应排除多个指示物的存在。换句话说，除非上下文另外明确指出，否则以单数形式提及的本发明的元件可以是一个或多个。还将理解的是，当在本文中使用时，术语“包含”、“包含有”、“包括”和/或“包括有”指定存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组。

除非另有定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)将被解释为本发明所属领域中的惯用。还将理解的是，除非在本文中明确如此定义，否则通常使用的术语也应被解释为相关领域中的惯用，而不应以理想化或过度形式化的含义来解释。

图12是描绘了根据本发明的实施例的、当根据加热器功率控制方法而将加热器和具有预定信号宽度的信号交替施加时激光器有源区的温度变化的示图。在本实施例中，用于驱动激光二极管芯片的加热器控制方法被称为“第三加热器控制方法”。

当加热器处于与图8的状态“加热器开启”实质上相同的状态：“加热器开启”(即，第一加热器功率)时，加热器进入“加热器高”模式(即，第二加热器功率)，该模式在功率方面比从系统接收到突发使能(ben)信号的情况下的“加热器开启”高。

在这种情况下，激光器有源区的温度相比于“加热器开启”模式升高，在“加热器高”模式下关闭加热器或者加热器变为低于预定功率(即，变为“加热器空闲模式”；第三加热器功率)的情况下，用于驱动激光器的电流将被施加给激光器有源区。

将电流施加给用于激光器激射的激光器有源区的时间被称为“激光二极管(ld)开启”模式(即，第一ld功率)。

在“ld开启”模式起始处，激光器有源区的温度不是处于“加热器开启”模式，而是处于例如温度比“加热器开启”模式高的“加热器高”模式，因此，在激光器以ld开启模式工作时的激光波长变得接近信道2的允许区域。

“加热器高”模式可以被设置为持续预定时间，优选地，预定时间是几十纳秒至几百纳秒之间的时间。这样(相对)短的“加热器高”模式只使加热器周围的温度升高，而不能使整个激光二极管芯片的温度升高。

通常，激光器有源区和加热器尽可能靠近放置。例如，激光器的有源区和加热器被放置在5微米内，以及该距离与半导体激光二极管的几百微米的尺寸相比是相对短的。

因此，“加热器高”模式可以选择性地使激光器有源区的温度升高。由于激光器芯片的总体温度保持低，因此在“加热器开启”模式结束之后，在“加热器空闲”模式下，激光器有源区的温度下降速度要比在图8的“加热器开启”模式结束之后的模式下下降速度更快。

在“加热器高”模式之后，由于加热器而引起的激光器有源区的温度下降影响与由于“ld开启”模式而引起的激光器有源区的温度上升影响部分地相互抵消，但是施加给激光器有源区的功率的影响相对较大，使得激光器有源区的温度从“ld开启”的时刻开始升高。

然而，由于随着加热器高模式关闭，激光器有源区的温度最终受到影响，因此在“ld开启”模式期间激光器有源区的温度变化与图9所示的激光器有源区的温度变化相比减小了。如图13所描绘的，该减小的激光器有源区的温度变化确保了使激光器的波长变化最小化。

因此，可以最大程度地减小在信道2处工作的突发模式激光器对诸如信道1的较短波长信道或诸如信道3的较长波长信道的串扰。以上说明的加热器控制方法称为“第三加热器控制方法”。表1示出了在如常规方法那样以“加热器开启”和“加热器空闲”两种模式驱动加热器的情况下，信道2上的突发模式操作如何影响信道1上的操作。

【表1】

基于常规方法的表1中示出，由于从信道2到信道1的串扰而使信道1处的错误量上升了58.3％。另一方面，在本发明的一个实施例中，如果加热器被配置为具有三种模式：“加热器开启”模式、“加热器高”模式和“加热器空闲”模式，以及加热器空闲模式被设置为具有比加热器开启模式低的功率，则信道1处的错误数量仅上升9.2％。

因此，验证了如果加热器被配置为具有三种模式：“加热器开启”模式、“加热器高”模式和“加热器空闲”模式，以及加热器空闲模式被设置为具有比加热器开启模式低的功率，则与常规方法相比，可以实质上防止信道之间的串扰。

图14描绘了表示根据本发明的实施例的、基于加热器功率控制方法而将加热器和具有预定信号宽度的信号交替施加时的激光器有源区的温度变化的示图。

图14示出了由加热器执行的时序。在该时序中，加热器接收ben信号以在加热器高模式下工作；在从加热器高模式的工作开始经过预定时间之后，加热器处于加热器低模式(即，第四加热器功率)；以及从加热器低模式开始经过预定时间之后，加热器处于加热器空闲模式。

在一个实施例中，加热器低功率被设置为比加热器空闲功率低(当前实施例的加热器控制方法被称为“第四加热器控制方法”)。

参考图14，由于加热器进入功率比“加热器空闲”模式低的“加热器低”模式，因此由于加热器而引起的激光器有源区的温度下降比图13的情况快。该特性防止了激光器有源区的温度比参考图13的情况上升更快。

因此，在一个实施例中，加热器被配置为其功率模式包括比按照从最大至最小的次序的“加热器高”模式、“加热器开启”模式、“加热器空闲”模式和“加热器低”模式的四个步骤多的步骤，以及在接收到ben信号之后，加热器被配置为根据“加热器高”模式、“加热器低”模式、“加热器空闲”模式和“加热器开启”模式的次序而驱动其功率模式。

前述实施例针对用于通过基于加热器控制方法来控制光发射机的激光二极管以减少串扰的装置或方法。在以下实施例中，描述了一种用于控制施加给激光器有源区的功率模式的方法(即，用于控制ld功率的方法)。本发明的当前实施例可以单独使用以及可以与上述第一加热器控制方法至第四加热器控制方法结合使用。

在同时使用多个信道的twdm-pon系统(诸如ngpon2)中，当以突发模式工作的激光器传输光信号时，在接收该光信号的接收器处发生串扰。

接收器使用在其上执行光电转换的光电二极管(例如，雪崩光电二极管)和跨阻抗放大器(tia)来接收光信号。然而，tia滤除光信号的直流(dc)分量以及仅基于交流(ac)分量来将“1”信号和“0”信号彼此区分开。

由于通常tia仅能够提取和恢复与预定频率相对应的信号，因此tia用来仅接收可检测到的特定频率信号，并拒绝(或消除)其他不能检测到的频率信号。例如，接收10gbps信号的tia可能会将100mhz的低频信号或20ghz以上的高频信号识别为噪声而将其消除。

图15描绘了表示根据本发明的实施例的在光发射机中从驱动器施加给光源的电流的曲线图。在接收到ben信号之前，处于突发模式的半导体激光器在最小驱动电流或无电流下工作。这里，最小驱动电流被称为低于激光二极管的阈值电流的电流。通常，在无源光网络(pon)系统中的激光器的操作由消光比(er)和从其输出的光信号的平均功率来限定，因此，为了满足er和输出的光信号，则从激光器输出的为“0”信号的电流电平可以保持在阈值电流以上。

例如，在半导体激光器具有6ma的阈值电流的情况下，当激光器关闭时电流被设置为6ma以下，以及1信号和0信号的电流电平分别被设置为80ma和30ma。前述数字仅是用于说明的示例，其他数字也是可能的，没有限制。

在基于ac耦接的激光器的驱动方案中，半导体激光器使用两个电流ibias和imod来驱动。1's信号通过使用电流ibias+imod驱动半导体激光器来产生，以及0's信号通过使用电流imod驱动半导体激光器来产生。在基于dc耦接的激光器的驱动方案中，1's信号通过使用电流ibias+imod/2驱动半导体激光器来产生，以及0's信号通过使用电流ibias+imod/2驱动半导体激光器来产生。这里，ibias是ac电流，而imod是dc电流。

在检测光信号的ac分量时，接收器通过tia滤除接收到的光信号的dc分量和不允许的(例如，无法检测到的)其他频率分量，使得1's信号和0's信号可以被接收。

在图10(a)中描绘的是ben信号。如图15(b)所描绘的，理想的半导体激光驱动器的操作是在接收到ben信号时输出用于1's信号和0's信号的驱动电流作为激光驱动电流，然而，参考图15(c)，半导体激光驱动器提供从激光器关闭的电流开始的电流驱动信号，以及在特定的延迟时间之后，其幅度根据1's数据信号和0's数据信号来进行调制。被调制的电路驱动信号的频率通过系统来呈现。

因此，即使在激光器从关闭状态转变为激光器输出正常信号电平的正常状态的流逝时间期间，也将传输具有用于通信的频率的调制信号。例如，尽管流逝时间在图15中被示为1纳秒至500纳秒，但是流逝时间可以是1纳秒至100纳秒。在本申请中，术语“流逝时间”可以与“空闲时间”互换。

在该流逝时间期间，在激光二极管中发生迅速的电流变化，因此导致激光器有源区的温度变化和激光的波长偏移，如图7所示。

图15(d)描绘了用于通过在流逝时间期间施加特定电流驱动信号来抑制在接收器处的串扰的激光器驱动方法。这里，特定电流信号是用在接收器(例如，tia)处无法检测到的频率来调制的信号。

如图15(d)所示，用于激光驱动设备的方法提供特定电流信号。例如，在激光器响应于接收到ben信号而开启的空闲时间期间，电流驱动信号的幅度简单地上升而不被调制，而在空闲时间结束之后被调制。电流信号的上升速度或其幅度可以根据光发射机的特性来确定，优选地，上升电流信号的最终幅度大于阈值电流(ith)。另外，在一个实施例中，如果在接收器处使用tia滤除预定频率分量而非dc分量，则即使在空闲时间中，也将用预定频率来调制要提供的电流信号。

激光器有源区的温度仅取决于施加给激光器有源区的电流，而与电流是否被调制无关。因此，在空闲时间期间，激光器由图15的施加给激光器有源区的电流信号之一来加热。电流信号包括未调制的信号或用在接收器处无法检测到的频率来调制的信号。

在空闲时间期间，虽然激光二极管可以产生具有除预定信道(或期望信道)的波长以外的其他波长的光，但是这种光在空闲时间期间未被调制，而是用在接收器处无法检测到的频率来调制，使得它将在接收器处由tia自动阻止以及不会用作对其他信道的串扰。

因此，在图15(d)的空闲时间中，施加给激光器有源区的电流信号用于使激光器有源区的温度升高，但是由于在空闲时间产生的光信号具有会在接收器处被滤除的频率(不同于被系统预定为通信的调制频率)，因此不会在接收器处对其他信道产生串扰。

返回参考图10，出现在信道1的中心附近的调制部分与调制串扰信号相对应。如果应用了本发明的实施例，则信道1处的串扰信号不被调制，使得其不会通过tia被检测到并且不会出现在图10的测量仪器的屏幕上，因此，串扰可能不会影响信道2。

在空闲时间期间，激光器有源区的温度被加热到正常温度，使得当激光器在图15的空闲时间结束之后产生用正常调制频率(例如，与用于通信的信道相对应的预定频率)调制的光信号时，在激光器有源区的温度达到正常温度的状态下，调制的光信号可以具有属于信道的预定波长，因此，即使在空闲时间之后也不发生串扰。

另外，图15(d)描绘了激光驱动器的理想操作，其中，在空闲时间结束之后，与1's信号和0's信号相对应的电流信号可以马上施加给激光器。由于实际的激光驱动器无法在调制信号开始被施加给激光驱动器之后立即产生与1's信号和0's信号相对应的电流信号，因此从调制信号被施加给激光驱动器时开始直到产生用于1's信号和0's信号的合适电流信号为止才发生时间延迟。

图16描绘了根据本发明的实施例的这样的曲线图，该曲线图对在空闲时间之后施加调制信号的情况(与图15d中描绘的理想情况不同)下，一旦施加调制信号，则从调制信号被施加时开始如何产生合适的调制电流进行说明。因为用于激光器的激光驱动器ic通过在电容器上使用充电/放电过程来实现诸如ibias和imod的电流信号，以及对电流进行充电或放电需要特定量的时间延迟，使得能够获得正常的imod，所以出现时间延迟(或空闲时间)。为了稳定地产生具有期望的1's信号和0's信号的调制信号，需要比至少50纳秒长的时间。为了获得如图15(d)所示的正常调制电流，需要在空闲时间期间基于未调制电流信号对激光器有源区的温度进行加热，以使激光驱动器开始产生电流信号，同时使激光器有源区的温度达到适合于对应(或预定)信道的值，从而与合适的幅度一起调制的信号应该能够在空闲时间结束的同时被施加给激光二极管。

然而，在ng-pon2中，要求空闲时间小于100纳秒。因此，如先前所说明的，如果电流信号稳定所需的最短时间被设置为50纳秒，则可用于用未调制电流信号加热激光器有源区的时间将最多为50纳秒。

如果使电流正常化所需的时间变长，则可用于用未调制电流信号加热激光器有源区的时间仅为40纳秒。因此，需要在该短时间段之内充分加热激光器有源区的温度。

参考图15(d)和图16，如果在空闲时间期间上升的电流的幅度被设置为ibias，则通信可以在空闲时间结束之后通过仅施加imod给激光器而立即开始。

图17描绘了根据本发明的实施例的光发射机的示图。

参考图17，根据本发明的实施例的光发射机1700包括光源1710和驱动器1720。驱动器1720可以包括用于提供第一额外功率的额外功率源单元(未示出)。除了驱动器1720的额外功率源单元之外，光发射机1700还可以包括额外功率源单元1725。在其他实施例中，光发射机1700可以仅包括额外功率源单元1725而没有驱动器1720的额外功率源单元。光源1710从驱动器1720接收驱动功率和数据信号，并与数据信号一起传输光。驱动功率可以与其幅度大于阈值的电流相对应以允许光源1710发送1's信号和0's信号。

光源1710在接收到驱动功率时传输数据信号。光源1710的波长取决于其温度。光波长受光源1710的内部温度以及光源1710周围的环境温度或其壳体的温度影响。由于光源1710的温度受到施加在其上的电流的幅度的影响，因此从光源1710发射出的光的波长受到施加在其上的电流的幅度和电流开始施加的时间的影响。

当电流信号被施加给光源1710之后流逝了合适的时间时，光源1710的内部温度上升到适合于对应波长信道的水平，使得光信号可以在期望的波长信道(例如，图11至图13的信道2)上传输。

明显的是，在电流信号施加给光源之后光源的温度不能立即升高。同样明显的是，当电流信号被施加给光源1710之后流逝了合适的时间时，光源的温度升高到适合于对应波长信道的预定水平。

因此，如果调制电流信号在光源的温度升高到适合于对应的预定波长信道的水平之前被施加给光源，则可能会产生具有不是期望的波长信道带的波长的光信号，从而由于在期望的波长带以外的波长带处产生的光信号而导致对期望信道以外的信道的串扰。

为了解决这个问题，用在接收器处无法检测到的频率来调制的电流信号可以在光源的温度被稳定之前施加给光源。术语“未用于通信的频率”可以被理解为要在接收器处去除的频率(例如，处于10gbps的数据传输速度的与5gbps或几百mbps的调制速率有关的频率)。

因此，幅度简单上升的电流信号可以用于稳定光源的温度的目的而不引起串扰。然而，ng-pon2标准要求调制的光信号在接收到ben信号之后的100纳秒之内发送。为此，光源的温度需要在该时间之内被加热到适合于期望信道的预定水平。

对光源的有源区加热的程度通过产生调制信号之前施加给光源的电流信号的幅度与时间的乘积来确定。因此，为了在开始光源调制之前使光源温度迅速稳定，光源可以通过具有高幅度的电流信号来驱动，或者从接收到ben信号到调制信号产生开始的时间间隔可以增大。

然而，由于在ng-pon2中从接收到ben信号到调制信号产生开始的时间间隔被限制为100纳秒，因此在该时间间隔之内需要使光源温度稳定。当接收到突发使能(ben)信号时，驱动器1720向光源1710提供功率。

驱动器1720包括用于提供驱动功率给光源1710或者通过从外部(未示出)接收功率来提供功率给光源1710的配置。驱动功率以第一平均斜率从初始值上升到阈值。然而，在这种情况下，由于达到阈值的时间被大大延迟，因此可能会发生对期望信道以外的信道的串扰。

为了防止对期望信道以外的信道的串扰，除了用于提供驱动功率的配置之外，驱动器1720还可以包括用于提供额外功率的配置，使得额外功率可以与驱动功率一起提供给光源1710。

在下文中，驱动器1720中的用于提供额外功率的配置可以被称为“第一额外功率源单元”，并且如果必要，则由第一额外功率源单元提供的额外功率被称为“第一额外功率”。

类似地，额外功率源单元1725可以被称为“第二额外功率源单元1725”，以与第一额外功率源单元区分开，并且如果必要，则由第二额外功率源单元1725提供的额外驱动功率可以被称为“第二额外功率”。术语“额外功率”可以是第一额外功率、第二额外功率或第一额外功率和第二额外功率的组合。

因此，包括用于提供第一额外功率的配置(例如，第一额外功率源单元)的驱动器1720可以向光源1710提供具有比第一平均斜率大的第二平均斜率的驱动功率。

在其他实施例中，驱动器1720可以提供具有第一平均斜率的驱动功率，但是在将从驱动器1720提供的驱动功率施加给光源1710之前，由第二额外功率单元1725产生的第二额外功率可以被施加给光源1710。例如，由第二额外功率源1725产生的第二额外功率与由驱动器1720产生的驱动功率一起施加给光源1710。

当光源1710除了驱动功率之外还被提供有第二额外功率(例如，第一额外功率或第一额外功率和第二额外功率的组合)时，激光器有源区的温度达到期望水平所需的时间变得明显更短。驱动器1720从外部接收数据信号，以及将其提供给光源1710。然而，驱动器1720不与驱动功率同时提供数据信号，而是在向光源1710施加驱动功率起的预定时间之后提供数据信号。

在这种情况下，预定时间(例如，从向光源1710施加驱动功率到向光源1710提供数据信号的时间间隔)在下面的情况下被不同地设置：当仅具有第一平均斜率的驱动功率施加给光源1710时；以及当额外功率与驱动功率一起施加给光源1710时。

这是因为在两种情况下，激光器有源区温度达到期望的正常水平所需的时间是不同的。在仅施加驱动功率时被设置为从施加驱动功率到提供数据信号的时间间隔的预定时间可以比在额外功率(例如，第一额外功率、第二额外功率和/或其组合)与驱动功率一起施加时设置的预定时间长。因此，通过驱动器1720可以防止对期望信道之外的其他信道的串扰，该驱动器1720在从施加驱动功率给光源1710起的预定时间之后将数据信号提供给光源1710。第二额外功率源单元1725将第二额外功率提供给光源1710。

尽管在图17中示出第二额外功率源单元1725连接到驱动器1720的输出节点，但是本发明的实施例不限于此。例如，第二额外功率源单元1725连接到驱动器1720的输入节点，以允许驱动器1720将驱动功率和第二额外功率两者提供给光源1710。

图18描绘了根据本发明的第二实施例的ben信号以及从光发射机的驱动器施加给光源中的各个电流。图19描绘了根据本发明的第二实施例的ben信号以及从光发射机的驱动器和额外电路施加给光源中的各个电流。参考图19(b)，从驱动器1720向光源1710施加包括数据信号的电流可以在从接收到ben信号的时间t1起的预定时间之后的时间t3开始，而不是在接收到ben信号之后立即从驱动器1720向光源1710施加数据信号。

例如，如图19(b)所示，驱动器1720提供其幅度从t1(例如，接收到ben信号的时间)到t2(例如，从t1起的预定时间之后的时间)以第一平均斜率上升的电流信号。驱动器1720在从t2到t3的时段期间将调制电流信号提供给光源1710，以及驱动器1720进一步提供包含要在t3之后传输的包含数据的调制电流信号。在一些方面，可以分别预设t2和t3。

如图19(c)所示，除了由驱动器1720提供的驱动功率之外，光源1710还由是驱动器1720之内的另一配置的第一额外功率源单元来提供第一额外功率和/或由第二功率源单元1725来提供第二额外功率。所述另一配置是驱动器1720的除了驱动器1720之内用于提供驱动功率的配置之外的部分。

这里，优选地，第一额外功率或第二额外驱动功率的上升斜率比驱动功率的第一平均斜率大，但其不限于此。例如，上升斜率可以近似于或小于第一平均斜率。因此，诸如激光二极管的光源1710从激光驱动器1720和第二功率源单元1725来提供驱动功率，并且在这种情况下，如图19(d)所示，对于t1与t2之间的时间段，通过驱动器1720和第二额外功率源单元1725提供给光源的功率比仅通过驱动器1720本身提供的功率大。因此，这允许激光器有源区在相对短的时间段内到达期望的温度。

来自第二功率源单元1725的输出电流可以简单地增加，例如，不被调制。在一个实施例中，来自第二功率源单元1725的输出电流可以逐步地增加，或者以在接收器处不可检测的频率来调制的方式增加。图19(d)中所示的驱动功率和数据信号最终被施加给光源1710。

通过向光源1710提供来自驱动器1720的第一额外功率或来自第二功率源单元1725的第二额外功率，激光器有源区的温度可以迅速升高，使得驱动器1720的数据调制可以在预定时间t3处变得正常，以及光源1710的温度可以被加热到足以促进数据信号传输而没有信道串扰。

优选地，在接收ben信号开始时的时间(例如，t1)与驱动器1720的调制操作开始时的时间t2之间的时间间隔范围在30纳秒至70纳秒，以及提供额外功率(例如，第一额外功率或第二额外功率)可以在时间t1和t2之间结束，这确保了由于未调制或用无串扰频率调制的电流信号而导致的光源1710的温度上升。另外，在时间t2和t3之间提供额外功率的结束防止了额外功率用作要传输的数据信号的噪声源。

为此，例如，可以在从ben信号的初始接收(例如，t1)起的40纳秒至80纳秒之间结束额外功率的提供。直到额外功率完全消失可能需要大约10纳秒至20纳秒。

另外，额外功率的结束并不一定意味着额外功率的完全结束。也就是说，额外功率的结束可以理解为使得额外功率与其最大值相比减小了，从而光源1710的温度可以被控制成使得其输出波长位于期望信道的预定波长区段之内。例如，额外功率的结束包括将额外功率减小其最大值的10％以上。

一些激光驱动器可以在其中实现与第一额外功率有关的元件或功能。因此，在本发明中，第二额外功率源单元1725不必与激光驱动器1710分离。例如，在激光二极管驱动器1720包括用于驱动自身的电流单元和用于提供额外功率的配置的情况下，激光二极管驱动器1720和第二额外功率源单元1725可以被实现为单个器件。

图20描绘了根据本发明的第三实施例的从光发射机的驱动器1720施加给光源1710的各个信号。参考图20，与图19所示的数据信号类似，数据信号在从接收到ben信号时的t1开始经过预定时间之后的t3开始施加给光源1710。

然而，代替将驱动器1720设计为包括用于提供第一额外功率的额外配置(例如，第一额外功率源单元)或者使第二额外功率源单元1725将第二额外功率提供给光源1710，驱动器1720可以被设计成增大驱动功率本身的幅度，使得其上升斜率比第一(平均)斜率大。

即，在现有方案的情况下，如果接收到ben信号，则电流ibias和imod被配置在驱动器1720中。此外，在经过了空闲时间t3之后，包含要发送的数据信号的ibias和imod被施加给激光二极管。在本发明中，在从接收到ben信号时的t1到预设的t2的时段期间，比空闲时间之后的信号传输所需的ibias大的电流被施加给激光二极管，以及在t2之后，在空闲时间t3之后施加的ibias和imod在配置中被使用。鉴于这些特征，在从t1至t3的时间段和在t3之后的时间段使用相同的电流，激光器有源区的温度可以比现有方案更快地稳定到期望范围。

以上描述对于本领域技术人员来说仅以示例的方式对作为示例的实施例的技术思想例进行了描述。在不脱离本发明的示例的必要特征的情况下，本实施例的示例和各种修改和变化是可能的。因此，实施例意在用于说明，而非意在限制本发明的示例的技术思想，而是通过示例将其限制在本发明的技术思想范围内。本发明的示例的保护范围由所附权利要求来解释，在等同范围之内的所有精神将被解释为包括在本发明的示例的范围内。