专利名称：一种直调激光器偏置电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及适用于数字光纤传输系统技术领域的直调激光器偏置电路，尤其涉及的是一种为数字光纤通信系统或数字光纤网络中光发送模块实现直调激光器偏置电流供电的电路。
背景技术：
现有技术的光传输系统使用2.5Gb/s光发送模块来发送光信号业务，包括STM-16信号及OC-48信号，它们的速率为2488.320Mb/s。通常WDM光传输系统中的光发送模块大量使用有制冷直调激光器，这种激光器满足80Km～360Km的传输性能要求。通过激光器驱动器芯片及外围电路为直调激光器提供偏置电流和调制电流，从而实现数字信号的电/光转换，直调激光器的偏置电路和调制电路设计对于光发送模块整体性能的起着重要的作用。
当前的2.5Gb/s有制冷直调激光器主要采用了14脚蝶形封装结构，在封装结构内部集成了激光器管芯、实现平均光功率监测的PIN管以及用于管芯温度控制的负温度系数热敏电阻和TEC器件。有制冷直调激光器内部组件及管脚定义示意图如图1所示，内部组件包括LD、背向功率监测PIN管、热敏电阻TH和TEC制冷器，图中激光器阳极与激光器封装之间通过虚线相连，表示大多数厂家在激光器内部将激光器阳极与封装连接在一起，考虑到模块设计上需要兼容多厂家激光器产品，而且大多数激光器厂家的激光器阳极在封装内部与封装外壳电气相联，为了避免激光器管壳带电，激光器阳极必须连同激光器外壳一起良好接地，因此决定了直调激光器需要采用负电源供电来给激光器提供偏置电流。
激光器偏置电流为直接调制激光器提供了正常工作所需的直流工作电流，该电流大于阈值电流时激光器才能工作在受激辐射状态。高速调制电流可以通过两种方式加载在偏置电流之上，一种为直流DC耦合方式，即调制电流直接叠加在偏置电流之上，驱动器与激光器的高频调制接口直接连接。另一种为交流AC耦合方式，即调制电流以正负交变的形式叠加在偏置电流之上，驱动器与激光器高频调制接口通过电容交流耦合。
如图2给出的两种耦合方式的激光器P/I曲线，其中，图2A给出了驱动器和激光器的高频信号采用直接耦合的方式时，激光器偏置电流Ibias和调制电流Imod与激光器输出光信号的关系，图2B给出了驱动器与激光器的高频信号采用交流耦合的方式时，Ibias和Imod与激光器输出光信号的关系。从第一种耦合方式的P/I曲线中可以看到，在激光器调制电流Imod不变的前提下，激光器的工作电流Iop＝Ibias+Imod/2，改变偏置电流Ibias将引起激光器工作电流Iop的变化，从而引起输出平均光功率Pav的改变。在第二种耦合方式的P/I曲线中，激光器的工作电流Iop＝Ibias，因此改变偏置电流Ibias将直接引起输出平均光功率的改变。对于驱动器和直调激光器采用不同供电系统的模块电路设计，驱动器与直调激光器的高频信号只能采用交流AC耦合方式，因此在这种耦合方式下，激光器的偏置电流Ibias的大小直接决定了激光器输出平均光功率Pav的大小。
对于光通讯系统，光载波的均值功率稳定对于系统的整体稳定性起到至关重要的作用，因此在光发送模块设计中包括了维持激光器输出功率稳定的控制电路。该电路使用激光器组件中的光功率监测PIN管提供的与激光器输出均值光功率对应的光生电流Impd来反馈控制激光器的工作电流Iop，工作电流Iop为流过激光器的均值电流，该电流决定了激光器输出均值光功率Pav的大小。稳定了激光器的工作电流Iop，就能达到稳定激光器输出光功率的目的。为此大多数激光器驱动器芯片都集成了维持激光器工作电流稳之的控制电路，它将光功率监测PIN管的光生电流作为监控信号引入内部控制电路，通过一个压控电流源来为激光器提供偏置电流，该电路能够根据激光器输出平均光功率的变化自动调整激光器偏置电流的大小来实现激光器输出平均光功率的自动控制，这就是光发送模块上普遍采用的光功率自动控制电路APC(Automatic Power Control)。
如图3给出了基本APC电路的原理框图。在这种APC电路中，驱动器与激光器都采用负电源供电，激光器组件中的光功率监测PIN管提供与激光器输出均值光功率Pav对应的光生电流Impd，Impd提供给驱动器的内部控制电路，通过固定电阻将Impd转换为电压信号，用这个电压信号与用户设定电压Power Set作比，运算放大电路将电压差转变为压控电流源的驱动电压，压控电流源的输出电流采用直流耦合方式提供给激光器，即为激光器的偏置电流Ibias，此时激光器的工作电流与输出光功率的关系如图2A所示，在激光器调制电流不变的前提下，调整偏置电流Ibias的大小就能实现稳定激光器输出功率Pav的目的。目前大多数激光器驱动器内部集成了这部分电路，只留出了光功率设置端口及为激光器组件提供偏置电流和调制电流的接口。
在这种APC电路中，采用负电源供电的驱动器的接口电路设计会变得非常复杂，特别是在模块内部普遍使用数字电位器来进行参数调整和控制的情况下，如果数字电位器在负电源环境中做参数调整，则数字电位器的通讯接口等需要通过电平转换到正电源环境中。目前光模块普遍使用数字电位器实现调整控制的参量，通讯接口转换也会相应增加，这导致模块电路设计冗余复杂。如果驱动器采用正电源供电，则控制电路和接口电路设计简化，但驱动器的压控电流源无法直接给直调激光器提供偏置电流，如果不使用驱动器提供的压控电流源为激光器提供偏置电流，则需要抛开驱动器内部集成的APC电路而重新设计激光器的APC电路，这样光发送模块的电路设计就过于复杂。
另外，光发送模块的正负供电电源出现波动时会对模块的性能产生影响，特别是负电源的波动会对APC电路的稳定性造成影响，这就要求在模块内增加抵抗正负电源波动的电路设计。在现有的关于直调激光器APC电路设计的技术文献及专利中，没有一项涉及直调激光器与正电源供电的驱动器之间偏置电路的设计的。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种直调激光器偏置电路，做为一种直调激光器与驱动器之间的偏置电流的接口电路，灵活解决直调激光器与正电源供电的驱动器之间偏置电路设计的问题，提供一种简单高效的实现方案；实现在正电源供电条件下驱动器与直调激光器的偏置电路设计，在模块内部采用单一正电源供电，使用正负电源变换电路来单独为直调激光器提供负电源，从而避免了负电源波动对模块性能的影响，增加了模块产品的稳定度，成为光发送模块设计中具有挑战性的技术之一。
本发明的技术方案如下一种直调激光器偏置电路，其设置在一光发送模块中，该电路包括激光器内部组件，所述激光器内部组件包括实现平均光功率监测的PIN管以及激光器，所述激光器用于进行光功率的输出，所述PIN管用于感应输出与光功率对应的监测电流；其中，所述电路还包括一采用正电源供电的光发送模块的激光器驱动器，和驱动器与直接调制激光器之间设计的一三极管驱动电路，以及一个正负电源变换电路为所述三极管驱动电路和所述激光器提供负电源；所述激光器驱动器包括光功率自动控制电路的反馈控制电路，其压控电流源的输出为所述三极管驱动电路的输入控制信号；所述电阻分压电路将所述驱动器的压控电流源输出的电流变化用于控制所述三极管基极电压，再用集电极电流来驱动所述激光器输出相应变化的光功率；通过三极管驱动电路在驱动器控制电路和激光器内部组件之间形成光功率自动控制电路控制回路。
所述的电路，其中，所述三极管驱动电路包括一电阻分压电路以及一温度特性稳定的三极管，所述电阻分压电路包括串联的多个分压电阻，并在所述分压电阻间连接所述三极管的基极，所述电阻分压电路把正电源供电的驱动器压控电流源输出电流的变化转变为所述三极管基极电压的变化，从而引起三极管集电极电流的变化。
所述的电路，其中，所述三极管驱动电路还包括稳压电路，其包括一稳压二极管与至少一稳压电阻，所述三极管驱动电路通过所述稳压二极管与所述激光器驱动器电性连接。
本发明所提供的一种直调激光器偏置电路，采用本发明所述方法，激光器驱动器可以采用正电源供电，通过在驱动器与激光器之间设计一个三极管驱动电路，解决了APC反馈控制电路需要重复设计的问题，采用正负电源变换电路来为三极管驱动电路和激光器提供负电源，增加了APC电路工作的稳定性，消除了模块负电源波动对其性能的影响；与现有技术相比，光发送模块电路设计简单高效，在保证光发送模块工作性能的前提下，提高了模块性能的稳定性，减少了电路的重复及实现成本。
图1是现有技术的激光器内部组件示意图；图2A和图2B分别是现有技术的DC耦合模式和AC耦合模式下的P/I曲线图；图3为现有技术的基本光功率自动控制电路APC的电路原理框图；图4是本发明的所述光功率自动控制电路中的采用单一正电源供电的APC电路原理框图；
图5是本发明电路中的典型PNP三极管Vbe电压随Ic变化的特性曲线图；图6是本发明所述直调激光器偏置电路的三极管驱动电路原理图；图7是本发明电路中有制冷直调激光器输出光功率随温度变化的曲线图；图8是本发明电路中有制冷直调激光器输出光功率随模块供电电压变化的曲线图。
具体实施例方式
以下结合附图，将对本发明的具体较佳实施例加以详细描述。
本发明所述直调激光器偏置电路，其核心技术是在采用正电源供电的光发送模块的驱动器与直接调制激光器之间设计一个三极管驱动电路，该三极管驱动电路和激光器由一个正负电源变换电路来提供负电源；使用驱动器的压控电流源输出来控制三极管基极电压，从而控制三极管的集电极电流，再用集电极电流来驱动激光器。
本发明电路在电路设计上巧妙地使用电阻分压电路来实现不同电源供电电路之间的控制，通过这个三极管驱动电路和一个正负电源变换电路把正电源供电的驱动器和激光器内部组件联系起来，使得APC反馈控制环路重新建立起来，光发送模块的偏置电路设计大为简化。电路中没有使用外界提供的负电源为三极管驱动电路和激光器供电，而是使用正负电源变换电路从正电源产生了一个相对稳定的负电源来供电，由于电源变换电路的电压输出受输入电压波动的影响非常小，从而提高了三极管驱动电路工作的稳定性，消除了负电源供电电压的变化对APC电路的影响。
本发明所述的直调激光器偏置电路，其有制冷直调激光器偏置电路如图4所示的，包括激光器内部组件、正负电源变换电路、激光器驱动器和三极管驱动电路几部分，所述激光器内部组件实现激光器的光功率输出，并为APC电路提供与输出光功率对应的监测电流Impd；正负电源变换电路实现从正电源到负电源的变换，为激光器的偏置电流提供负电源；激光器驱动器则包括了APC的反馈控制电路，驱动器的压控电流源的输出成为三极管驱动电路的输入控制信号；三极管驱动电路由一组分压电阻和一个温度特性稳定的PNP三极管构成。所述电阻分压电路把正电源供电的驱动器压控电流源输出电流的变化转变为三极管基极电压的变化，从而引起三极管集电极电流的变化，集电极电流驱动激光器使得输出光功率做出相应变化。激光器内部的PIN管检测到输出光功率的变化，通过光生电流的变化反馈回激光器驱动器，驱动器再根据光生电流的变化调整压控电流输出电流的大小，最终形成完整可靠的APC控制回路。
对于大多数直调激光器都可形成完整可靠的APC控制回路，所述直调激光器的正向电压Vf一般情况下为1.2V～1.8V，当激光器采用负电源供电时，激光器阳极与地平面相连，激光器阴极的电压低于激光器正向导通电压Vf*则激光器开启工作。三极管驱动电路如图4所示，与传统APC电路相比，该电路引入了一个三极管驱动电路和一个正负电源变换电路，解决了激光器的偏置电流供电，驱动器仍然采用正电源供电，通过三极管驱动电路在驱动器控制电路和激光器内部组件之间重新形成APC控制回路，充分利用了驱动器集成的APC监测电路和压控电流源驱动器。
同时使用电源变换电路来为三极管驱动电路和激光器提供负电源，避免了电源波动对这部分电路造成的影响，提高了APC电路工作的稳定性，三极管驱动电路的具体应用实例请参阅图6所示。其工作原理为当三极管处于放大工作状态时，激光器偏置电流的大小由流过PNP型三极管VT1的基极电流决定，三极管进入放大工作状态的条件是基极电压Vb低于激光器正向导通电压Vf*加上PNP型三极管节电压Vbe，即Vb≤-Vf*+Vbe，其中Vf*为激光器的正向导通电压，由于激光器工作在负电源供电的情况下，所以式中Vf*前加负号，通常情况下硅材料的PNP三极管Vbe的典型值为-0.7V。此时流过激光器和三极管的电流较小，电流在电阻和滤波电感上产生的压降可以忽略。随着基极电压Vb电压继续减小，三极管VT1的基极电流增大，流过VT1的射极电流相应增加，即激光器的偏置电流Ibias增加，同时电阻和电感上的压降增大，激光器正向压降Vf增大。当Vb减小到某个数值时，流过激光器的Ibias正好等于激光器的阈值电流Ith，此时的基极电压Vb可以表示为Vb＝Vf+Vbe+Ith*(R16//R17+RL9) (1)上式中R16//R17为电阻R16与电阻R17的并联阻抗，RL9为电感L9的直流阻抗。当基极电压Vb电压再减小时，激光器正向压降Vf增大，Ibias继续增加，直调激光器进入正常工作状态，激光器输出光功率Pav相应增加，采用AC耦合方式的激光器的P-I曲线如图2B所示。由此可见，基极电压Vb决定了三极管驱动电路提供给激光器的偏置电流Ibias的大小，Ibias即为激光器的Iop，从而直接决定了激光器输出光功率Pav的大小。
需要指出的是，PNP三极管的温度特性是影响该驱动电路正常工作的关键因素之一，通常情况下PNP三极管的节电压Vbe会随着环境温度发生变化。如果假设三极管的集电极电流Ic不变，Ie＝Ic+Ib，其中基极电流Ib远小于集电极电流Ic，所以可以认为发射极电流Ie近似不变，即激光器偏置电流Ibias不变，随着温度变化三极管的节电压Vbe将发生变化。
如果该参数在-55℃～150℃的环境温度下变化显著，则控制电压基极电压Vb的变化量ΔVb可能超出三极管驱动电路的调节范围，如图5所示给出了一个典型PNP三极管节电压Vbe的随集电极电流Ic变化的特性曲线，其中包括温度对曲线的影响，如果PNP三极管的节电压Vbe在-55℃～150℃环境温度下变化较大，则需要根据具体情况重新确定电路参数。在不同温度下，APC电路将保持有制冷直调激光器的输出功率稳定，对于采用AC耦合方式的激光器意味着偏置电流Ibias应该保持稳定，即三极管驱动电路的发射极电流Ie保持稳定，此时可以近似认为集电极电流Ic保持稳定。假设集电极电流Ic＝50mA，从图中可以看出在集电极电流Ic不变的前提下，不同环境温度对应的节电压Vbe电压不同，-55℃、25℃和150℃的环境温度下该PNP三极管的节电压Vbe电压分别为-0.95V、-0.8V和-0.6，ΔVbe＝0.35V，在模块正常的工作温度范围内ΔVbe将小于0.35V。因此PNP三极管的基极控制电压Vb在不同温度下的变化将小于0.35V，这对于本发明电路来说完全能够满足应用的要求。
如图6所示是较为实用的三极管驱动电路，该电路由两个部分组成，第一部分为电阻R6与稳压二极管VD8构成的稳压电路，当VD8上的压降VDD稳定在4.0V时，该稳压电路能够提供典型值50mA电流，考虑到模块供电电压VCC存在±5％的波动，所以能够提供的最小电流为37.5mA，最大电流为62.5mA。如果需要提供的电流较大，可以更改该电路参数来满足应用需求。第二部分为电阻R4、R11和R14在正电源电压VCC与负电源电压VEE之间构成的分压电路，R11与R14之间的分压作为三极管VT1的基极控制电压，电阻R4上流过分压电路的直流电流和激光器驱动器输出的偏置电流Ibias’，这样电阻R4将驱动器的Ibias’的变化转换为电压变化，这个电压变化量再通过R11和R14分压提供给三极管VT1的基极。VT1的基极电压由下面的公式确定Vb＝VEE+R14*(VDD-VEE-R4*Ibias’)/(R4+R1I+R14) (2)当驱动器的压控电流源输出偏置电流Ibias’为0时，通过电阻R11和R14分压得到的基极电压为Vb＝VEE+R14*(VDD-VEE)/(R4+R11+R14)，该电压又等于激光器的正向导通电压、激光器阈值电流在电阻和电感上产生的压降以及三极管基极和发射极之间的节电压之和，即公式(1)。当驱动器的压控电流源输出电流改变时，电阻R4将把电流的变化转换成三极管基极电压的变化，从而改变发射极电流的大小，即改变激光器偏置电流的大小，图6中的电路参数适用于BOOKHAM的LC25W系列激光器。
如图7所示是使用本发明的直调激光器偏置电路技术的光发送模块在不同温度下，激光器输出功率随光发送模块环境温度变化的曲线，其中给出了4只测试样品的测试结果，从图中可以看出每一只光发送模块的输出光功率在-15℃到65℃的环境温度下变化小于±0.5dB，这种偏差在系统设计允许的范围内，证明新的APC控制电路对激光器输出功率的控制满足业内对光发送模块输出光功率稳定性的指标要求。
如图8所示是使用本发明电路技术的光发送模块在电源VCC发生±5％变化的情况下，激光器输出功率随电源VCC电压变化的曲线，同样给出了上述4只测试样品的测试结果，从图中可以看出在电源VCC电压发生±5％变化时，每一只光发送模块的输出光功率几乎保持不变，证明使用本发明技术的APC控制电路在克服电源电压波动方面具有良好的效果。
综上所述，使用本发明技术的光发送模块的APC电路具有良好的温度稳定性和抗电源波动的能力；采用本发明所述方法，与现有技术相比，提高了光发送模块电路设计的灵活性。在保证光发送模块性能的前提下，减少了电路的重复设计，降低了成本。
应当理解的是，本发明上述针对具体实施例的描述过于具体，并不能因此而理解为对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应该以所附权利要求为准。
权利要求
1.一种直调激光器偏置电路，其设置在一光发送模块中，该电路包括激光器内部组件，所述激光器内部组件包括实现平均光功率监测的PIN管以及激光器，所述激光器用于进行光功率的输出，所述PIN管用于感应输出与光功率对应的监测电流；其特征在于，所述电路还包括一采用正电源供电的光发送模块的激光器驱动器，和驱动器与直接调制激光器之间设计的一三极管驱动电路，以及一个正负电源变换电路为所述三极管驱动电路和所述激光器提供负电源；所述激光器驱动器包括光功率自动控制电路的反馈控制电路，其压控电流源的输出为所述三极管驱动电路的输入控制信号；并且所述驱动器的压控电流源输出的电流变化用于控制所述三极管基极电压，再用集电极电流来驱动所述激光器输出相应变化的光功率；通过三极管驱动电路在驱动器控制电路和激光器内部组件之间形成光功率自动控制电路控制回路。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述三极管驱动电路包括一电阻分压电路以及一温度特性稳定的三极管，所述电阻分压电路包括串联的多个分压电阻，并在所述分压电阻间连接所述三极管的基极，所述电阻分压电路把正电源供电的驱动器压控电流源输出电流的变化转变为所述三极管基极电压的变化，从而引起三极管集电极电流的变化。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述三极管驱动电路还包括稳压电路，其包括一稳压二极管与至少一稳压电阻，所述三极管驱动电路通过所述稳压二极管与所述激光器驱动器电性连接。
全文摘要
本发明的一种直调激光器偏置电路，其设置在一光发送模块中，包括一采用正电源供电的光发送模块的激光器驱动器，和直接调制激光器之间设计的一三极管驱动电路，以及一个正负电源变换电路为所述三极管驱动电路和所述激光器提供负电源；所述激光器驱动器压控电流源的输出为所述三极管驱动电路的输入控制信号；并且所述驱动器的压控电流源输出的电流变化用于控制所述三极管基极电压，再用集电极电流来驱动所述激光器输出相应变化的光功率；通过三极管驱动电路形成光功率自动控制电路控制回路。本发明电路的光发送模块电路设计简单高效，在保证光发送模块工作性能的前提下，提高了模块性能的稳定性，减少了电路的重复及实现成本。
文档编号H01S5/00GK1797994SQ200410091929
公开日2006年7月5日 申请日期2004年12月27日 优先权日2004年12月27日
发明者张赟 申请人:中兴通讯股份有限公司