專利名稱：具有獨(dú)立功率設(shè)置與環(huán)路切換跟蹤能力的激光驅(qū)動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體激光驅(qū)動器電路結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于高性能光通信傳輸中。用戶可以獨(dú)立的調(diào)整激光器發(fā)送"1"和"0"時(shí)的光功率，在寬溫度范圍內(nèi)，采用本發(fā)明可以克服激光驅(qū)動器工作特性隨溫度的變化而獲得穩(wěn)定的光脈沖波形，從而提供高可 靠性的通信。
背景技術(shù)：
近年來，隨著主要光電子器件成本的不斷降低，光傳輸?shù)膽?yīng)用范圍不斷擴(kuò)展到工 業(yè)監(jiān)控、電力監(jiān)控系統(tǒng)等對可靠性和抗干擾能力要求高的應(yīng)用場合。激光驅(qū)動器是光 纖通信系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的組成部分之一，是實(shí)現(xiàn)電壓信號轉(zhuǎn)換成激光驅(qū)動電流信號的 關(guān)鍵電路。最常見的光通信用激光驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)它包括一個半導(dǎo)體激光二極管LD和一個用 于對LD進(jìn)行背向光檢測的光電二極管PD， PD經(jīng)過反向偏壓后，流過PD正端的電流 與LD發(fā)出激光的強(qiáng)度成正比例關(guān)系，通過監(jiān)視該電流的變化就可以獲得LD發(fā)光強(qiáng)度 的變化情況。在正常工作時(shí)，流過LD的電流和LD發(fā)出激光強(qiáng)度之間的關(guān)系，可以看 出LD是一個溫度敏感器件，在通信中，為了保證在不同溫度下都能產(chǎn)生幅度穩(wěn)定的 光脈沖，驅(qū)動電路產(chǎn)生的電流必須能夠同時(shí)跟蹤LD門限電流和P-I曲線斜率隨溫度 的升高而降低的變化。傳統(tǒng)的激光驅(qū)動器電路基本電路結(jié)構(gòu)主要由三部分組成調(diào)制電路(Modulator), 自動功率控制電路(APC)和自動溫度控制電路(ATC)。其中調(diào)制器的主要功能是將 輸入的數(shù)字電信號(差分信號或單端信號)經(jīng)過放大后產(chǎn)生對LD的驅(qū)動電流，驅(qū)動 電流的大小通?？梢愿鶕?jù)需要進(jìn)行設(shè)置；自動功率控制部分接收來自PD的背向光檢 測電流，并將其濾除高頻成分后與一個隨溫度不變的預(yù)先設(shè)定的電流進(jìn)行比較，由此 產(chǎn)生控制信號，該信號控制流過LD的直流電流，以改變PD端檢測到的電流大小，這 種反饋控制環(huán)路的通帶特性為低通特性，帶寬很低，可以保證流過PD的電流的直流
成分隨溫度變化保持穩(wěn)定，這樣就可以保證LD發(fā)送平均光功率的穩(wěn)定；ATC電路可以 監(jiān)視環(huán)境溫度的變化，并隨著溫度的變化調(diào)整芯片輸出調(diào)制電流的大小，從而保證輸 出光脈沖幅度的穩(wěn)定。對于輸入的電信號而言，如果其"0"、 "l"分布不均勻，有頻率很低的低頻成分， 如果其落入到了 APC環(huán)路帶寬以內(nèi)，就會造成LD平均發(fā)送光功率的波動，影響正常 工作。那么為了信號的可靠傳輸，輸出的光功率必須穩(wěn)定，因此傳統(tǒng)的激光驅(qū)動器要 求對輸入信號先進(jìn)行光線路編碼(如4B5B、 8B10B碼等)，使得'0'和'T信號均 勻分布、保持直流平衡，從而保證穩(wěn)定的平均光功率。隨著RS232、 RS485以及CAN等通過光纖進(jìn)行互連的需求越來越多，此時(shí)需要采用接口協(xié)議轉(zhuǎn)換電路，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)低速、突發(fā)的電信號到連續(xù)、直流穩(wěn)定 的驅(qū)動信號的轉(zhuǎn)換，這樣提高了系統(tǒng)的復(fù)雜度，給工業(yè)應(yīng)用的組網(wǎng)帶來不便，并且提 高了成本和使用時(shí)的功耗。 發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本發(fā)明就是針對激光驅(qū)動器電路采用平均功率控制、需要專門的 溫度補(bǔ)償電路以及要求事先對輸入信號進(jìn)行光線路編碼的缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)的一種具有獨(dú) 立功率設(shè)置與環(huán)路切換跟蹤能力的激光驅(qū)動器，它不需上述電路結(jié)構(gòu)，可以簡化系統(tǒng) 應(yīng)用復(fù)雜度，并且具有更高的溫度穩(wěn)定性。技術(shù)方案本發(fā)明的半導(dǎo)體激光驅(qū)動器電路包含帶有背光檢測功能的半導(dǎo)體激光 器組件、環(huán)路放大驅(qū)動電路、電流選擇電路、輸入比較器；其中半導(dǎo)體激光器組件包 括一個激光二極管和用于背向光檢測的光電二極管，環(huán)路放大驅(qū)動電路中放大器的反 向輸入端與光電二極管的正極相接，放大器的輸出端接驅(qū)動晶體管的柵極，驅(qū)動晶體 管的輸出端接激光二極管的負(fù)極，放大器的同向輸入端接電流選擇電路中第一電阻與 選擇開關(guān)之間，選擇開關(guān)的中點(diǎn)接輸入比較器的輸出端。在光電二極管的正極與地之 間并聯(lián)有相接第二電阻和電容。本發(fā)明與傳統(tǒng)激光驅(qū)動電路不同，它不是基于平均光功率穩(wěn)定原理，用戶可以通 過片外電阻獨(dú)立設(shè)置'r和'0'的光功率，無需光線路編碼以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動信號的直流 穩(wěn)定，無需APC和ATC，減小了系統(tǒng)復(fù)雜度，且輸出光信號的功率和消光比具有更高 的溫度穩(wěn)定性。輸入的數(shù)字信號與一個門限進(jìn)行比較，判斷輸入的是"1"或"0"， 然后將判斷結(jié)果輸出給環(huán)路跟蹤源電流選擇電路。片內(nèi)的帶隙電壓參考源是一個不隨 溫度變化的基準(zhǔn)電壓，該電壓除以外部配置電路可以得到隨溫度保持恒定的兩個電流
值，該電流按照固定的比例鏡像后就成為期望在激光器發(fā)"1"和"o"時(shí)，光電二極 管PD端檢測的電流值。由于正常工作時(shí)光電二極管PD的檢測電流與激光二極管LD 發(fā)送的激光強(qiáng)度存在固定的比例關(guān)系，這樣也就設(shè)定了發(fā)"1"和"0"時(shí)期望的光功 率值。當(dāng)輸入為邏輯電平為"1"時(shí)，控制環(huán)路將設(shè)定的電流通過固定比例的縮小或放 大后和Ipd進(jìn)行比較，如果二者不相等就調(diào)整控制信號Vctl，通過該信號控制電路的 驅(qū)動級調(diào)整流過激光二極管LD電流的大小來調(diào)整激光二極管LD的發(fā)送光強(qiáng)度，同時(shí) 也就改變了Ipd的大小，使Ipd和設(shè)定的電流盡量相等，僅存在環(huán)路的殘余誤差。當(dāng)輸入為邏輯電平為"0"時(shí)，控制環(huán)路將設(shè)定的電流通過固定比例倍的縮小或 放大后和Ipd進(jìn)行比較，如果二者不相等就調(diào)整控制信號Vctl,通過該信號控制電路 的驅(qū)動級調(diào)整流過激光二極管LD電流Itnod的大小來調(diào)整激光二極管LD的發(fā)送光強(qiáng) 度，同時(shí)也就改變了Ipd的大小，使Ipd和設(shè)定的電流盡量相等，僅存在環(huán)路的殘余 誤差。有益效果本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電路根據(jù)輸入數(shù)字邏輯信號電平選擇激光 二極管發(fā)送"1"和"0"時(shí)期望得到的流過PD的背向光檢測電流，從而得到期望的 "1"和"0"光功率。與該電路結(jié)構(gòu)相關(guān)的至少包括:l)帶有背光檢測功能的半導(dǎo)體 激光器組件(LD+PD); 2)設(shè)定不同輸入數(shù)字信號電平時(shí)背光檢測電流目標(biāo)值的電阻。 3)向激光器提供驅(qū)動電流的電路、背光檢測器件和誤差放大電路共同構(gòu)成反饋控制環(huán) 路。當(dāng)輸入"l"時(shí)，環(huán)路誤差檢測電路將Ipd與發(fā)"1"時(shí)的目標(biāo)電流相比較，產(chǎn)生 控制信號調(diào)整激光器驅(qū)動電流，使實(shí)際背光檢測電流與目標(biāo)值充分接近。當(dāng)輸入數(shù)字 信號為"0"時(shí)，環(huán)路誤差檢測電路將背光檢測電流與設(shè)定的目標(biāo)電流進(jìn)行比較，產(chǎn) 生控制信號，調(diào)整激光器驅(qū)動電流使實(shí)際背光檢測電流與目標(biāo)值充分接近。這種電路 結(jié)構(gòu)對光脈沖的"0"功率和"1"功率進(jìn)行快速閉環(huán)獨(dú)立控制，根據(jù)輸入信號電平的 切換而改變環(huán)路的跟蹤目標(biāo)，可以在很寬的溫度范圍內(nèi)提供高穩(wěn)定度的輸出光信號。


圖l為本發(fā)明的電路原理圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的半導(dǎo)體激光驅(qū)動器電路包含帶有背光檢測功能的半導(dǎo)體激光器組件l、
環(huán)路放大驅(qū)動電路2、電流選擇電路3、輸入比較器4;其中半導(dǎo)體激光器組件1包括 一個激光二極管LD和用于背向光檢測的光電二極管PD，環(huán)路放大驅(qū)動電路2中放大 器Fl的反向輸入端與光電二極管PD的正極相接，放大器Fl的輸出端接驅(qū)動晶體管 Ml的柵極，驅(qū)動晶體管Ml的輸出端接激光二極管LD的負(fù)極，放大器Fl的同向輸入 端接電流選擇電路3中第一電阻Rl與選擇開關(guān)K之間，選擇開關(guān)K的中點(diǎn)接輸入比 較器4的輸出端。在光電二極管PD的正極與地之間并聯(lián)有相接第二電阻R2和電容CPD。 輸入邏輯信號通過高速比較器判斷、整形后得到邏輯電平'r或者'0'。整形 后的邏輯信號根據(jù)邏輯電平對通過片外電阻設(shè)定的電流和通過片外電阻設(shè)定的'o'電流進(jìn)行選擇。完成該功能的電路為電流選擇電路。被選擇的'r或者'o'電流流過第一電阻Rl產(chǎn)生電壓，該電壓與由光電二極管PD檢測電流經(jīng)過R2產(chǎn)生的 電壓進(jìn)行比較和放大，控制晶體管M1輸出電流，驅(qū)動激光二極管LD發(fā)光。穩(wěn)態(tài)時(shí)， 流過第一電阻Rl和第二電阻R2的電流幾乎相等，即光電二極管PD得到的與激光二 極管LD發(fā)光功率成固定關(guān)系的電流幾乎等于被輸入邏輯信號選擇的'T或者'0' 電流。由于激光二極管LD與光電二極管PD之間的光電檢測效率近似恒定，所以激光 二極管LD的發(fā)光功率在輸入邏輯'l'或'0'周期內(nèi)保持恒定。圖5所示電路是通 過閉合環(huán)路自動穩(wěn)定激光二極管LD輸出光功率，環(huán)路帶寬主要由光電二極管PD的寄 生電容和外加的環(huán)路穩(wěn)定電容Cpd決定。根據(jù)上述電路工作原理，由于溫度變化或者激光二極管LD老化引起激光二極管 LD值電流變化和斜率效率變化時(shí)，在滿足激光二極管LD-光電二極管PD光電檢測效 率不變的前提下，電路通過環(huán)路的自動跟蹤能力，始終能保持LD輸出光功率的穩(wěn)定， 無論是'l'還是'0'功率。如果忽略LD輸出光信號邊沿時(shí)間的變化，則激光二極 管LD輸出光信號的消光比也能保持很高的穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體激光驅(qū)動器電路，其特征在于該電路包含帶有背光檢測功能的半導(dǎo)體激光器組件(1)、環(huán)路放大驅(qū)動電路(2)、電流選擇電路(3)、輸入比較器(4)；其中半導(dǎo)體激光器組件(1)包括一個激光二極管(LD)和用于背向光檢測的光電二極管(PD)，環(huán)路放大驅(qū)動電路(2)中放大器(F1)的反向輸入端與光電二極管(PD)的正極相接，放大器(F1)的輸出端接驅(qū)動晶體管(M1)的柵極，驅(qū)動晶體管(M1)的輸出端接激光二極管(LD)的負(fù)極，放大器(F1)的同向輸入端接電流選擇電路(3)中第一電阻(R1)與選擇開關(guān)(K)之間，選擇開關(guān)(K)的中點(diǎn)接輸入比較器(4)的輸出端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光驅(qū)動器電路,其特征在于在光電二極管(PD) 的正極與地之間并聯(lián)有相接第二電阻(R2)和電容(Cpo)。
全文摘要
半導(dǎo)體激光驅(qū)動器電路涉及一種半導(dǎo)體激光驅(qū)動器電路結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于高性能光通信傳輸中。用戶可以獨(dú)立的調(diào)整激光器發(fā)送“1”和“0”時(shí)的光功率，在寬溫度范圍內(nèi)，采用本發(fā)明可以克服激光驅(qū)動器工作特性隨溫度的變化而獲得穩(wěn)定的光脈沖波形，從而提供高可靠性的通信。該電路中半導(dǎo)體激光器組件(1)包括一個激光二極管(LD)和用于背向光檢測的光電二極管(PD)，環(huán)路放大驅(qū)動電路(2)中放大器(F1)的反向輸入端與光電二極管(PD)的正極相接，放大器(F1)的輸出端接驅(qū)動晶體管(M1)的柵極，驅(qū)動晶體管(M1)的輸出端接激光二極管(LD)的負(fù)極，放大器(F1)的同向輸入端接電流選擇電路(3)中第一電阻(R1)與選擇開關(guān)(K)之間，選擇開關(guān)(K)的中點(diǎn)接輸入比較器(4)的輸出端。
文檔編號H01S5/062GK101132116SQ20071013153
公開日2008年2月27日 申請日期2007年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月4日
發(fā)明者建 徐, 歡 王 申請人:江蘇新志光電集成有限公司