激光发射自动控制电路及相关芯片、光模块和设备的制作方法

本实用新型涉及光通信技术领域，特别涉及一种激光发射自动控制电路及相关芯片、光模块和设备。

背景技术：

在光通信中，光发射端是光通信中包含光模块或是含有光收发单元的设备，例如激光器，能够将电信号转变成光信号，并有效的把光信号耦合到传输光纤。

激光器工作输出的平均光功率和消光比是两个重要的指标，但是由于激光器的非线性，以及激光器的发光效率的离散性及随温度、老化等因素变化和改变等原因，使得激光器发射的平均光功率和消光比会发生改变，因此稳定平均光功率和消光比参数是光发射端自动控制的重点。

激光器在直接强度调制下，平均光功率和消光比是由激光器二极管驱动芯片提供的偏置电流和调制电流决定的。光发射端除了要求发送光功率在全温范围内和器件老化情况下能保持稳定的光信号功率输出外，还要求发出的光信号的消光比要尽可能保持稳定。一般来说消光比过小，调制的光信号功率在信号功率中比例会降低，最终导致光接收端的接收灵敏度较差，消光比过大时，常常会导致发光器件工作在非线性区，使得光发射输出眼图劣化，最终光接收灵敏度恶化，故对消光比的控制应该维持在一合理范围内，光接收灵敏度才能达到最佳。在实际生产中，由于芯片、激光器电路参数及工作温度的差异，消光比很难精确控制，只能将消光比控制在某一合理范围内。但环境工作温度的变化或者是器件老化会导致电路原件参数的改变，影响消光比的变化，导致灵敏度恶化，引起误码率激增，所以长期工作时维持消光比稳定对光通信的通信质量有重大意义。

目前控制光发射端的参数时，对于稳定激光器光功率，往往采用单闭环方案对平均光功率进行控制，但是这样的电路往往无法达到稳定消光比的状况。

而对于控制消光比的方式，一般又常用基于开环工作模式，例如下述方法：

1、根据激光器的温度特性设计热敏电阻补偿电路。

热敏电阻的线性度和补偿曲线的差异性，以及温度测量点的差异性使得这种补偿效果有限。

2、采用K因子补偿法，激光器的驱动器中假如“K-因子”补偿特性，在激光器偏置电流增大的同时，按比例增大调制电流。

这种方案参数控制比较单一，不能完全反映偏置电流对调制电流的影响效果。

上述的热敏电阻补偿法和K-因子补偿法虽然实现的方式不同，但本质上都是利用开环控制消光比的稳定，这些方式的优点是实现简单，能使消光比稳定在一定的范围内，缺点是消光比的变化也取决于激光器件的一致性，补偿效果有限。

稳定光发射端的平均光功率并同时稳定消光比，传统的光模块的光发射电路依然无法进行良好的控制。

技术实现要素：

鉴于上述问题，提出了本实用新型以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种激光发射自动控制电路及相关芯片、光模块和设备。

第一方面，本实用新型实施例提供一种激光发射自动控制电路，所述控制电路包括：内环控制电路和外环控制电路；

所述内环控制电路用于根据所发射激光的反馈和预设的功率电流控制参数，生成用平均功率控制的偏置电流；以及将所述偏置电流和外环控制电路输出的调制电流耦合后施加在发射的激光上；

所述外环控制电路用于根据预设的激光器老化参数和所述内环控制电路的偏置电流值，输出比例控制的调制电流。

在一个实施例中，所述内环控制电路，包括：顺次连接且形成闭环的激光发射电路、检测滤波电路、第一减法器、积分控制电路、偏置电流驱动电路和电流耦合电路；所述外环控制电路，包括：顺次连接的第二减法器、比例控制电路和调制电流驱动电路；

其中：所述激光发射电路的输出端与所述检测滤波电路的输入端连接；所述检测滤波电路的输出端与所述第一减法器的负极输入端连接，所述第一减法器的正极输入端用于输入预设的功率电流控制参数；所述第一减法器的输出端与所述积分控制电路输入端连接；所述积分控制电路的输出端分别与所述偏置电流驱动电路的输入端以及与所述第二减法器的负极输入端连接；所述偏置电流驱动电路的输出端与所述电流耦合电路的输入端连接；

所述第二减法器的正极输入端用于输入激光器老化参数；所述第二减法器的输出端与所述比例控制电路的输入端连接；所述比例控制电路的输出端与所述调制电流驱动电路的输入端连接，所述调制电流驱动电路的输出端与所述电流耦合电路的输入端连接；

所述调制电流驱动电路输出的调制电流I_m和所述偏置电流驱动电路输出的偏置电流I_d满足：I_m＝E*(I_d-I’)；所述I’为激光器老化参数；

所述比例控制电路的控制系数E＝(1-Z)/(ZK-A)，其中Z为等效调制比例系数、K为调制电流和偏置电流在电流耦合电路中的电流耦合系数、A为调制基线抬升系数。

在一个实施例中，所述电流耦合电路的耦合方式包括：直流耦合方式和交流耦合方式。

在一个实施例中，在所述直流耦合方式下：

I_d+K*I_m＝I₁

I_d+AI_m＝I₀

在所述交流耦合方式下：

I_d+K/2*I_m＝I₁

I_d+(A-K/2)I_m＝I₀；

上式中，I_m为所述调制电流驱动电路输出的调制电流；I_d为所述偏置电流驱动电路输出的偏置电流；

K为调制电流和偏置电流在电流耦合电路中的电流耦合系数；

A为调制基线抬升系数；

I₁为激光器“1”电平下的电流；

I₀为激光器“0”电平下的电流。

在一个实施例中，所述检测滤波电路包括：背光信号检测电路和低通滤波器；

所述激光发射电路的输出端与所述背光信号检测电路的输入端连接；

所述背光信号检测电路的输出端与所述低通滤波器的输入端连接；

所述低通滤波器的输出端与所述第一减法器的负极输入端连接。

在一个实施例中，所述积分控制电路包括：顺次连接的积分控制器、偏置电流寄存器和偏置电流数模转换器；其中：

所述第一减法器的输出端与所述积分控制器的输入端连接；

所述偏置电流寄存器的输出端分别与所述第二减法器的负极输入端以及偏置电流数模转换器的输入端连接；

所述偏置电流数模转换器的输出端与所述偏置电流驱动电路的输入端连接。

在一个实施例中，所述比例控制电路包括：比例控制器、调制电流寄存器和调制电流数模转换器；其中：

所述第二减法器的输出端与所述比例控制器的输入端连接，所述比例控制器还包括所述控制系数E的输入端；所述比例控制器的输出端连接所述调制电流寄存器的输入端连接；

所述调制电流寄存器的输出端与所述调制电流数模转换器的输入端连接；

调制电流数模转换器的输出端与所述调制电流驱动电路的输入端连接。

在一个实施例中，所述第一减法器的正极输入端还连接有数模转换器。

第二方面，本实用新型实施例提供的一种芯片，该芯片包含上述激光发射自动控制电路。

第三方面，本实用新型实施例提供一种光模块，所述光模块包含上述激光发射自动控制电路。

第四方面，本实用新型实施例还提供了一种激光发射自动控制方法，包括：

根据所发射激光的反馈和预设的功率电流控制参数，生成用平均功率控制的偏置电流；

根据预设的激光器老化参数和所述偏置电流值，输出经比例控制的调制电流；

将所述偏置电流和所述调制电流耦合后施加在发射的激光上。

在一个实施例中，根据所发射激光的反馈和预设的功率电流控制参数，生成用平均功率控制的偏置电流，包括：

对所发射的激光的反馈信号进行背光电流的检测和低通滤波后，与预设的功率电流控制参数进行减法运算；

将减法运算得到的结果进行积分处理，得到偏置电流值；

根据所述偏置电流值输出对应的偏置电流。

在一个实施例中，根据预设的激光器老化参数和所述内环控制电路的偏置电流值，输出经比例控制的调制电流，包括：

将预设的激光器老化系数与偏置电流值进行减法运算；

将减法运算得到的结果，乘以预设的控制系数E，得到调制电流值；

根据所述调制电流值输出对应的调制电流；

所述控制系数E＝(1-Z)/(ZK-A)，其中Z为等效调制比例系数、K为调制电流和偏置电流的电流耦合系数、A为调制基线抬升系数。

本实用新型实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

本实用新型实施例提供的激光发射自动控制电路及相关芯片、光模块和设备，采用双控制环，包括内环控制电路和外环控制电路，内环控制电路用于根据所发射激光的反馈和预设的功率电流控制参数，生成用平均功率控制的偏置电流；以及将所述偏置电流和外环控制电路输出的调制电流耦合后施加在发射的激光上，外环控制电路用于根据预设的激光器老化参数和所述内环控制电路的偏置电流值，输出比例控制的调制电流；内环控制电路输出采用平均功率控制的偏置电流，外环控制电路根据激光老化系数输出经比例控制后输出调制电流，将调制电流和偏置电流按一定比例耦合，施加于发射的激光上，以实现采用平均功率控制的偏置电流进行激光器平均功率的控制，采用比例控制的调制电流实现稳定消光比的目的。

并且，外环控制电路比例控制的系数与等效调制比例系数、调制电流和偏置电流的电流耦合系数以及调制基线抬升系数都相关，使得控制精度较高。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型实施例提供的激光发射自动控制电路的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的不同温度下激光器的光电转换功率-电流曲线图；

图3为本实用新型实施例提供的不同温度下激光器的光电转换功率-电流曲线图的简化图；

图4为本实用新型实施例提供的电流耦合电路使用直流DC耦合的耦合模型图；

图5为本实用新型实施例提供的电流耦合电路使用直流AC耦合的耦合模型图；

图6为本实用新型实施例提供的激光发射自动控制电路的又一具体实例的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

为了说明本实用新型所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

本实用新型实施例提供的一种激光发射自动控制电路，该控制电路包括：内环控制电路和外环控制电路；其中：

所述内环控制电路用于根据所发射激光的反馈和预设的功率电流控制参数，生成用平均功率控制的偏置电流；以及将所述偏置电流和外环控制电路输出的调制电流耦合后施加在发射的激光上；

所述外环控制电路用于根据预设的激光器老化参数和所述内环控制电路的偏置电流值，输出比例控制的调制电流。

本实用新型实施例提供的激光发射自动控制电路，采用双控制环，包括内环控制电路和外环控制电路，内环控制电路输出采用平均功率控制的偏置电流，外环控制电路根据激光老化系数输出经比例控制后输出调制电流，将调制电流和偏置电流按一定比例耦合，施加于发射的激光上，以实现采用平均功率控制的偏置电流进行激光器平均功率的控制，采用比例控制的调制电流实现稳定消光比的目的。

在一个实施例中，本实用新型实施例提供的激光发射自动控制电路，包括：内环控制电路和外环控制电路；如图1所示，其中，内环控制电路，包括：顺次连接且形成闭环的激光发射电路1、检测滤波电路2、第一减法器3、积分控制电路4、偏置电流驱动电路5和电流耦合电路9；外环控制电路，包括：顺次连接的第二减法器6、比例控制电路7和调制电流驱动电路8；

其中：激光发射电路1的输出端与检测滤波电路2的输入端连接；检测滤波电路2的输出端与第一减法器3的负极输入端连接，第一减法器3的正极输入端用于输入预设的功率电流控制参数；第一减法器3的输出端与积分控制电路4输入端连接；积分控制电路4的输出端分别与偏置电流驱动电路5的输入端以及与第二减法器6的负极输入端连接；偏置电流驱动电路5的输出端与电流耦合电路9的输入端连接；

第二减法器6的正极输入端用于输入激光器老化参数；第二减法器6的输出端与比例控制电路7的输入端连接；比例控制电路7的输出端与调制电流驱动电路8的输入端连接，调制电流驱动电路8的输出端与电流耦合电路9的输入端连接；

调制电流驱动电路8输出的调制电流I_m和偏置电流驱动电路5输出的偏置电流I_d满足：I_m＝E*(I_d-I’)；I’为激光器老化参数；

比例控制电路7的控制系数E＝(1-Z)/(ZK-A)，其中Z为等效调制比例系数、K为调制电流和偏置电流在电流耦合电路9中的电流耦合系数、A为调制基线抬升系数。

激光发射电路1输出的光信号通过所述检测滤波电路2后输入至第一减法器3的负极，第一减法器3的正极用于输入功率电流控制参数I_B，第一减法器3输出端通过积分控制电路4后输出偏置电流值I_m，偏置电流值一方面输入至所述偏置电流驱动电路5，另一方面输入至第二减法器6的负极，第二减法器 6的正极用于输入老化系数I′，第二减法器6输出端通过比例控制电路7后输出调制电流值I_d，调制电流值I_d输入至调制电流驱动电路8，偏置电流驱动电路5、调制电流驱动电路8输出电流信号通过电流耦合电路9处理后输入至激光发射电路1。

如需要将激光器光发射端的输出平均功率和消光比参数稳定在指标的控制范围内，必须对偏置电流和调制电流进行调测和控制。本实用新型实施例提供的激光发射自动控制电路，包括内环控制电路和外环控制电路，内环控制电路使用平均功率控制的偏置电流进行激光器平均功率的控制，外环控制电路采用比例控制的调制电流实现稳定消光比的目的，并且，比例控制的系数与等效调制比例系数、调制电流和偏置电流的电流耦合系数以及调制基线抬升系数都相关，使得控制精度较高。

在一个实施例中，内环控制电路可以采用先进控制系统(Advanced Process Control，APC)控制方式，检测滤波电路2进行背光检测和滤波后，与预先给定的功率电流控制参数进行比较，第一减法器3输出的比较结果通过积分控制电路4并输出偏置电流值，然后通过控制偏置电流驱动电路5的电流控制端，调节激光器的偏置电流，并通过电流耦合电路9施加在激光发射电路1上，保持平均光功率稳定。

在一个实施例中，外环控制电路可以采用ER控制方式，将激光器的老化系数与内环控制电路中的偏置电流值进行减法运算后，再乘以控制系数E，得到调制电流值，然后通过控制调制电流驱动电路8的电流控制端，调节激光器的调制电流，再通过电流耦合电路9将偏置电流和调制电流施加到激光发射电路1上。

在本实用新型实施例中，老化系数I’是描述激光器在老化过程中的趋势的参数，调制基线抬升系数A是用于描述不同耦合(DC或AC方式)下中调制电流对偏置基线抬升的效应的参数；电流耦合系数K是用于描述调制电流和偏置电流在耦合电路中的耦合效率的参数；为了获取消光比所需参数引入了等效调制比例系数Z。

等效调制比例系数Z和老化系数I’都是与器件老化或温度变化有关参数，当温度变化时，光电转换效率会发生变化，要调整偏置电流I_d使光功率保持不变，所以I_d也会变化。本实用新型实施例中主要点在于对调制电流I_m进行控制，一般情况下I₀(“0”电平时的电流)是未知的，这里需要找到一个方法，来确定不同温度下的I₀，这样就能算出不同温度下的I₁(“1”电平时的电流)，达到调整消光比的目的。

如图2所示的不同温度下激光器的光电转换功率电流曲线图，在两种极限条件下(如工业温度条件-40℃与+85℃)P-I曲线相交于一点N，点N在P-I 曲线图上对应光功率为P’，电流为I’，在其他工作温度下P-I曲线也收敛于此交汇点。如下图所示，+25℃时P-I曲线相交于点N。参照图3所示的功率电流曲线简化图，假设在-40℃条件下，P₀对应的电流为I₀，在+85℃条件下，P₀对应电流为I₀’；-在40℃条件下，P₁对应电流为I₁，在+85℃条件下，P₁对应电流为I₁’，其中P₀为“0”电平的光功率，P₁为“1”电平的光功率。由相似三角形的对应边成比例的定理可知：

Z＝(I₀-I’)/(I₁-I’)＝(I₀’-I’)/(I₁’-I’) (1)

将上式整理后有：

I’＝(I₀I₁’-I₁I₀’)/[(I₁’-I₀’)-(I₁-I₀)] (2)

即：

I₀’＝I₁’-(1-Z)(I₁’-I’) (3)

I₀＝I₁-(1-Z)(I₁-I’) (4)

对于电流耦合电路，可以采用直流DC耦合或交流AC耦合的方式，AC 耦合下反馈和调整速率低限制，参数不易匹配，驱动器功耗较大，但输出调制电流较大，而DC耦合无低速率限制，易于匹配，高速性能好，功耗小，但输出调制电流较小。本实施例不限定DC耦合或是AC耦合，由于调制电流和偏置电流耦合的基数不一样，在本实用新型实施例设置一个电流耦合系数K反应其耦合效率。

考虑不同耦合方式下调制电流相对偏置电流的影响引入电流耦合系数K, 考虑到调制电流对偏置基线抬升的效应引入调制基线抬升系数A。参照图4、图5所示的DC耦合模型和AC耦合模型，此时调制电、偏置电流流与I₀、I₁之间的关系为：

在DC耦合条件下：

I_d+K*I_m＝I₁ (7)

I_d+AI_m＝I₀ (8)

在AC耦合条件下：

I_d+K/2*I_m＝I₁ (7’)

I_d+(A-K/2)I_m＝I₀ (8’)

由于DC耦合和AC耦合只是比例参数不同，AC条件下电流耦合系数K’和调制基线抬升系数A’与DC耦合条件下的电流耦合系数K调制基线抬升系数A的关系符合下式：K’＝K/2，调制基线抬升系数A’＝A-K/2，这样可以将两者统一到DC耦合模型上，只是此时A正负不定。

根据以上(4)、(7)、(8)整理得到I_m表达关系式为：

I_m＝(1-Z)/(ZK-A)*(I_d-I’)

上式中，令E＝(1-Z)/(ZK-A)，即I_m＝E*(I_d-I’)，I_d是当前的偏置电流值，I’、 Z、K、A都是已知的参数，故可以确定当前I_m的值。I_m更新后会影响平均光功率，此时内环控制电路会锁出一个新的I_d值，从而达到平衡，得到理想的调制电流和偏置电流。

在一个实施例中，如图6所示，检测滤波电路2，可以进一步包括：背光信号检测电路21和低通滤波器22；

激光发射电路1的输出端与背光信号检测电路21的输入端连接；

背光信号检测电路21的输出端与低通滤波器22的输入端连接；

低通滤波器22的输出端与第一减法器3的负极输入端连接。

在一个实施例中，如图6所示，积分控制电路4可以进一步包括：顺次连接的积分控制器41、偏置电流寄存器42和偏置电流数模转换器43；其中：

第一减法器3的输出端与积分控制器41的输入端连接；

偏置电流寄存器42的输出端分别与第二减法器6的负极输入端以及偏置电流数模转换器43的输入端连接；

偏置电流数模转换器43的输出端与偏置电流驱动电路5的输入端连接。

在一个实施例中，如图6所示，比例控制电路7可以进一步包括：比例控制器71、调制电流寄存器72和调制电流数模转换器73；其中：

第二减法器6的输出端与比例控制器71的输入端连接，比例控制器71还包括控制系数E的输入端；比例控制器71的输出端连接调制电流寄存器72的输入端连接；

调制电流寄存器72的输出端与调制电流数模转换器73的输入端连接；

调制电流数模转换器73的输出端与调制电流驱动电路5的输入端连接。

在图6所示的实施例中，激光发射电路1输出的光信号依次通过背光信号检测电路21和低通滤波器22处理后输入至第一减法器3；偏置电流寄存器42 输出偏置电流值至第二减法器6；控制系数E作用于比例控制器71；第一减法器3的正极还连接有数模转换器31，用于将数字电流信号转换成模拟电流信号。

本实施中，背光信号检测电路21检测背光二极管产生的背光电流，然后经过低通滤波器22后，与经数模转换的功率电流控制参数I_B进行比较(即信号相减)输出，将比较结果通过积分控制器41进行积分处理，得到偏置电流值I_m并保存至偏置电流寄存器42，偏置电流值I_m经数模转换后控制和调节激光器工作的所需偏置电流，并通过电流耦合电路施加在激光器上，这里通过调节偏置电流来保持平均光功率稳定。

当激光器器件老化或温度变化时，斜率改变，调制幅度变化，导致消光比改变，本实施例采用了调制电流控制外环电路进行补偿。具体地，将偏置电流寄存器中保存的偏置电流值和激光器老化系数叠加，通过控制系数E进行比例控制后，通过控制调制电流驱动电路的电流控制端，调整调制电流，激光器在驱动信号的驱动下，调制电流和偏置电流一定比例耦合，发出相应的光信号。采用双环控制方案，在平均功率控制内环基础上增加比例控制外环，通过设置比例控制外环的控制系数E实现稳定消光比的目的，而且控制系数E与多个参数相关，使得控制精度更高。

本实用新型实施例还提供了一种芯片，该芯片包含本实用新型实施例提供的上述激光发射自动控制电路。

本实用新型实施例还提供了一种光模块，该光模块包含本实用新型实施例提供的上述激光发射自动控制电路。

本实用新型实施例还提供了一种光通信设备，该光通信设备包含本实用新型实施例提供的上述激光发射自动控制电路。

上述光通信设备包括但不限于：交换机、通信传输设备等等。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。