專利名稱：使用多級(jí)激光驅(qū)動(dòng)電路直接調(diào)制激光二極管的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光通信系統(tǒng)，尤其涉及使用多級(jí)激光驅(qū)動(dòng)電路直接調(diào)制激光二極管的方法和裝置。
背景技術(shù)：
在光通信系統(tǒng)中，通常使用激光二極管來產(chǎn)生用于發(fā)射的光信號(hào)，并且通常使用激光驅(qū)動(dòng)器來調(diào)制激光二極管。
使用傳統(tǒng)的激光驅(qū)動(dòng)器集成電路(IC)直接調(diào)制激光二極管會(huì)遇到很多問題，在沒有冷卻的情況下問題尤其突出。首先，引線接合電感、激光二極管電容和激光驅(qū)動(dòng)器輸出電容中的一項(xiàng)或者多項(xiàng)都可能會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電流波形失真和振蕩。其次，為了降低可能會(huì)導(dǎo)致上述振蕩的互連電感，傳統(tǒng)系統(tǒng)中的激光驅(qū)動(dòng)器IC應(yīng)該與激光二極管盡可能地接近，而激光驅(qū)動(dòng)器IC產(chǎn)生的熱量卻使得激光二極管的溫度很難保持為獲得滿意性能所需的足夠低溫。
因此，期望提供一種互連激光二極管和激光驅(qū)動(dòng)器的方法和裝置，該方法和裝置能減少波形失真和振蕩，同時(shí)減少激光驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的熱量對(duì)激光二極管造成的影響。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個(gè)示范性實(shí)施例中提供了一種光發(fā)射器。該光發(fā)射器包括驅(qū)動(dòng)電路，用于接收數(shù)據(jù)并應(yīng)用該數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)激光二極管；具有第一端和第二端的傳輸線，該第一端連接到驅(qū)動(dòng)電路的輸出；放大器，該放大器具有第一接頭和第二接頭，第一接頭與傳輸線的第二端連接，第二接頭與激光二極管連接；其中應(yīng)用在第一接頭的信號(hào)幅度控制激光二極管的光輸出幅度。


通過結(jié)合下列附圖對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述，可以更清楚地理解本發(fā)明的各個(gè)方面，這些附圖中圖1是應(yīng)用了本發(fā)明一個(gè)示范性實(shí)施例的光通信系統(tǒng)的框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示范性實(shí)施例的光發(fā)射器的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)示范性實(shí)施例的光發(fā)射器的示意圖；和圖4是根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)示范性實(shí)施例的光發(fā)射器的示意圖。
具體實(shí)施例方式
在光發(fā)射器中，如果由傳輸線來連接激光驅(qū)動(dòng)器IC和激光二極管，那么激光驅(qū)動(dòng)器IC不需要和激光二極管靠近，激光驅(qū)動(dòng)器IC產(chǎn)生的熱量也不會(huì)像通過引線接合來連接激光驅(qū)動(dòng)器IC和激光二極管那樣如此強(qiáng)烈地影響激光二極管的溫度。
不過，當(dāng)使用傳輸線互連激光驅(qū)動(dòng)器IC和激光二極管時(shí)，為了防止由諸如射頻(RF)反射等產(chǎn)生的波形失真，需要在傳輸線的兩端進(jìn)行阻抗匹配。如果激光二極管串聯(lián)了一個(gè)阻抗匹配電阻，則可以充分地增加電壓擺動(dòng)以提供足夠的調(diào)制電流。
然而，當(dāng)調(diào)制電流為80mApp(毫安，峰-峰)時(shí)，為了在50Ω的系統(tǒng)中提供足夠的調(diào)制電流，所需的電壓擺動(dòng)為4.0Vpp(電壓，峰-峰)，在25Ω的系統(tǒng)中需要的電壓擺動(dòng)為2.0Vpp。如此大的電壓擺動(dòng)需要增加激光驅(qū)動(dòng)器IC電源電壓，并增加了整個(gè)系統(tǒng)的功率損耗。例如，在高溫時(shí)可能需要調(diào)制電流達(dá)到80mApp。在室溫時(shí)，調(diào)制電流通常在40mApp和60mApp之間。另外，阻抗匹配電阻損耗的偏流也會(huì)增加功率損耗。偏流通常隨溫度改變而改變，例如，偏流可能會(huì)在10mApp和80mApp之間改變。
另外，通常需要反向終止具有匹配阻抗的激光驅(qū)動(dòng)器IC。反向終止使得激光驅(qū)動(dòng)器需要的輸出電流加倍。例如，在25Ω系統(tǒng)中，當(dāng)激光二極管需要80mAPP調(diào)制電流時(shí)，如果有一半的調(diào)制電流消耗在反向終止中，那么激光驅(qū)動(dòng)器將需要提供160mApp的調(diào)制電流。
所以，由于需要更高的驅(qū)動(dòng)電壓擺動(dòng)以及激光驅(qū)動(dòng)器需要反向終止，整個(gè)系統(tǒng)的功率損耗將會(huì)增加。由于在沒有冷卻的光發(fā)射器設(shè)計(jì)中希望減少功率損耗，因此除非能夠設(shè)計(jì)出減少功率損耗的解決方案，否則并不準(zhǔn)備使用傳輸線來互連激光驅(qū)動(dòng)器IC和激光二極管。
如果不使用傳輸線連接激光驅(qū)動(dòng)器IC和激光二極管，也可以將激光驅(qū)動(dòng)器IC盡可能接近地安裝在激光二極管附近以降低電感。在這種情況下，激光二極管將要承受激光驅(qū)動(dòng)器IC產(chǎn)生的熱量。在激光驅(qū)動(dòng)器IC和激光二極管布置得非常接近并通過諸如引線接合而連接在一起的情況下，并不需要使用傳輸線。因此，可以避免與傳輸線連接相關(guān)的附加功率損耗(例如由阻抗匹配電阻所產(chǎn)生的附加功率損耗)。
不過，引線接合和激光器電容以及驅(qū)動(dòng)器輸出電容之間的諧振可能會(huì)產(chǎn)生振蕩。傳統(tǒng)的激光驅(qū)動(dòng)電路的高輸出阻抗會(huì)加劇該振蕩。
傳統(tǒng)的激光驅(qū)動(dòng)器通常設(shè)計(jì)為使用具有電流源的差分輸出級(jí)，其中電流源與輸出差分對(duì)的發(fā)射極或者源極連接。通常從一個(gè)輸出晶體管的集電極或者漏極獲取激光器驅(qū)動(dòng)輸出，另一個(gè)輸出晶體管的集電極或者漏極通過負(fù)載電阻接交流地。在激光二極管檢測(cè)輸出晶體管的集電極或者漏極時(shí)，激光二極管覺察到激光驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗相對(duì)較高。這就與激光二極管自身通常只有幾歐姆的相對(duì)較小的動(dòng)態(tài)阻抗形成差異。不過，由于容易設(shè)計(jì)高速差分級(jí)，設(shè)置差分對(duì)的尾電流的電流源容易并能精確地控制調(diào)制電流，所以通常在各種比特速率都使用高阻抗驅(qū)動(dòng)器。
不過，驅(qū)動(dòng)器的高輸出阻抗并沒有降低負(fù)載或者減少由引線結(jié)合感應(yīng)所產(chǎn)生的振蕩，振蕩在諸如10Gbps(千兆比特每秒)等高比特速率時(shí)將會(huì)非常嚴(yán)重。為了減少振蕩，既可以在激光二極管和激光驅(qū)動(dòng)器之間串聯(lián)阻尼電阻，還可以將阻尼電阻與驅(qū)動(dòng)器輸出電容并聯(lián)。串聯(lián)電阻的不利影響是使得驅(qū)動(dòng)電壓需求增加，并聯(lián)電阻的不利影響是使得驅(qū)動(dòng)電流需求增加。在這兩種情況下，整個(gè)功率損耗都會(huì)增加。
而且，由于激光驅(qū)動(dòng)器和激光二極管非常接近，激光驅(qū)動(dòng)器IC產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致激光二極管的溫度升高。傳統(tǒng)激光驅(qū)動(dòng)器在10Gbps下通常消耗0.5W(瓦特)和1.5W的功率。為了減少由激光驅(qū)動(dòng)器IC產(chǎn)生的熱量而造成的溫度升高，經(jīng)常使用非常低的熱敏電阻封裝，而這會(huì)增加系統(tǒng)的成本和尺寸。
驅(qū)動(dòng)器IC和激光二極管非常接近會(huì)讓支持驅(qū)動(dòng)器工作的無源元件和多個(gè)互連導(dǎo)致另一問題。這些無源元件和互連會(huì)增加激光器封裝的尺寸和復(fù)雜度，從而增加成本并且難以小型化。
在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示范性實(shí)施例中，數(shù)據(jù)信號(hào)直接調(diào)制激光二極管。在這個(gè)實(shí)施例中，一段電傳輸線將激光驅(qū)動(dòng)電路分離為至少兩個(gè)獨(dú)立級(jí)。第一級(jí)，例如可能包括一個(gè)傳統(tǒng)的激光驅(qū)動(dòng)器。第二級(jí)，例如可包括配置為發(fā)射極跟隨器或者源跟隨器的晶體管，它位于光發(fā)射器的激光驅(qū)動(dòng)器和激光二極管之間。
與通過激光驅(qū)動(dòng)器IC和激光二極管之間的傳輸線驅(qū)動(dòng)激光二極管、不使用附加級(jí)來驅(qū)動(dòng)激光器的光發(fā)射器相比，這個(gè)示范性的實(shí)施例可以減少電源電壓和降低功率損耗。需求電壓和功率的減少至少部分歸功于不在激光驅(qū)動(dòng)器IC和激光二極管之間使用阻抗匹配電阻。
與傳統(tǒng)的激光驅(qū)動(dòng)器IC安裝在激光二極管附近的光發(fā)射器相比，上述實(shí)施例中由于在激光驅(qū)動(dòng)器IC和激光二極管之間采用傳輸線進(jìn)行互連，功率損耗和激光二極管附近的局部熱量會(huì)降低。另外，還可以降低由激光二極管和激光驅(qū)動(dòng)器之間的互接電感所產(chǎn)生的激光二極管驅(qū)動(dòng)電流振蕩和失真。而且，與傳統(tǒng)的將激光驅(qū)動(dòng)器IC和激光二極管共同封裝的情況相比，使用傳輸線互連后可以降低激光器封裝中無源元件和電連接的數(shù)量。
圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示范性實(shí)施例的光通信系統(tǒng)10的框圖。圖示的光通信系統(tǒng)10具有在光通信媒介20的發(fā)射端的光發(fā)射器14和在接收端的光接收器22。不過，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以意識(shí)到，實(shí)際中的通信系統(tǒng)在光通信媒介的各端既可能有一個(gè)或者多個(gè)光發(fā)射器，也可能有一個(gè)或者多個(gè)光接收器。光通信媒介20可以包括光導(dǎo)纖維電纜。
光通信系統(tǒng)10包括數(shù)據(jù)源12，數(shù)據(jù)源12提供數(shù)據(jù)以調(diào)制用于光發(fā)射的激光器輸出?？梢允褂弥T如前向錯(cuò)誤糾正(FEC)等對(duì)數(shù)據(jù)源12輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，以在接收端檢測(cè)和/或恢復(fù)數(shù)據(jù)。例如，提供的數(shù)據(jù)可以為高數(shù)據(jù)比率(例如10Gbps或者更高)的RF(射頻)信號(hào)。例如，數(shù)據(jù)源可以與用于產(chǎn)生數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)提供給數(shù)據(jù)源12的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接。
光發(fā)射器14包括激光驅(qū)動(dòng)電路16和激光器18。激光驅(qū)動(dòng)電路可以為多極，可以接收一個(gè)或者多個(gè)用于控制激光器輸出的諸如調(diào)制幅度和偏壓等的各種不同參數(shù)的控制信號(hào)。激光器18可以為激光二極管或者別的其他適于光通信的光源。應(yīng)該注意到，在本發(fā)明的一個(gè)示范性實(shí)施例中，激光驅(qū)動(dòng)器16(或者它的一部分)和激光器18可以分別封裝，并且可以經(jīng)過一段傳輸線互相連接。
傳輸線例如可以在同一平面，或者可以包括微波傳輸帶，并且可以位于電路板和/或彎曲電路上。例如，激光器18和多級(jí)激光驅(qū)動(dòng)電路16中的一級(jí)可以包括在一個(gè)晶體管外殼(TO)罐或者別的合適激光器封裝中，并且在電路板上經(jīng)過傳輸線連接到激光驅(qū)動(dòng)電路16剩下的一級(jí)或者多級(jí)，其中傳輸線可以在電路板上或者在彎曲電路上。
光通信系統(tǒng)10包括位于光通信媒介20接收端的光接收器22和數(shù)據(jù)接收裝置24。光接收器22例如可包括一個(gè)或者多個(gè)用于檢測(cè)接收的光信號(hào)、并將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的光電二極管。數(shù)據(jù)接收裝置24可以包括用于對(duì)在發(fā)射端編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼的解碼器。例如，數(shù)據(jù)接收裝置24可以與用于分發(fā)和/或處理接收到的數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接。
圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示范性實(shí)施例的光發(fā)射器50的示意圖。例如，光發(fā)射器50可用作圖1所示的示范性光通信系統(tǒng)中的光發(fā)射器14。
光發(fā)射器50包括具有可變輸出幅度的激光驅(qū)動(dòng)器52。激光驅(qū)動(dòng)器52的輸出經(jīng)電容53和傳輸線54施加到放大器56的輸入。例如，放大器56可以是固定增益線性放大器(例如是一個(gè)固定交流增益線性緩沖放大器)，并具有可變直流輸出電流。放大器56的輸出施加到激光二極管58的輸入，接下來激光二極管58根據(jù)放大器56的輸出幅度產(chǎn)生激光器輸出。
在圖2所示的示范性光發(fā)射器中，激光驅(qū)動(dòng)器52根據(jù)數(shù)據(jù)信號(hào)62直接調(diào)制激光二極管56。一段傳輸線54將激光驅(qū)動(dòng)器電路劃分為至少兩個(gè)獨(dú)立級(jí)。激光驅(qū)動(dòng)器52是第一級(jí)，它根據(jù)輸入數(shù)據(jù)是否包含“0”或者“1”來生成在電壓電平V0和V1之間切換的數(shù)字輸出。激光器調(diào)制幅度控制信號(hào)64可以確定電壓電平V0和V1，該信號(hào)允許將校正調(diào)制幅度施加到激光二極管56，以讓激光二極管56保持所需工作點(diǎn)和消光系數(shù)(在光“1”和“0”電平之間的系數(shù))。
激光驅(qū)動(dòng)器52的輸出通過隔直流電容器53連接到傳輸線54，并因此連接到放大器56。在別的實(shí)施例中也可以不使用電容器53。由于典型的邊緣發(fā)射激光二極管的動(dòng)態(tài)阻抗在5到10歐姆之間，而典型的傳輸線的阻抗在25到50歐姆之間，放大器56可以是常數(shù)增益線性放大器，用于向傳輸線54的阻抗提供阻抗匹配以及在驅(qū)動(dòng)激光二極管58之前提供電流增益。放大器56還向激光二極管58提供直流偏流，激光二極管58通常受激光器偏壓控制信號(hào)60的控制，可以調(diào)整激光器偏壓控制信號(hào)60以保持不變的光輸出功率電平。
固定增益線性放大器通常非常簡單，可能只是一個(gè)單獨(dú)的晶體管。因此，同目前正在使用的傳統(tǒng)激光驅(qū)動(dòng)器相比，固定增益線性放大器可以在更低的電壓和電流下工作。更低的電壓和電流使得在激光二極管周圍只產(chǎn)生少量的額外功率損耗。由于如何提供充分散熱以保持激光二極管工作溫度低一直是設(shè)計(jì)諸如10Gb/s的光收發(fā)器和發(fā)射機(jī)應(yīng)答器等產(chǎn)品的主要挑戰(zhàn)之一，減少了額外功率損耗便可以簡化激光器封裝設(shè)計(jì)。另外，減少工作電壓允許減少激光驅(qū)動(dòng)器電源電壓。這就潛在減少或者消除了對(duì)更高的電源電壓的需求，而在傳統(tǒng)的收發(fā)器或發(fā)射機(jī)應(yīng)答器電路中卻通常需要較高的電源電壓。
另外，固定增益線性放大器可以非常簡單，只需要很小的空間和很少的電連接。它可以和激光二極管一起封裝在諸如TO罐等小且成本低的封裝中。另外，可以使用單晶體管共漏或者共集電極實(shí)現(xiàn)固定增益線性放大器。這些和其他的單晶體管配置可以提供低輸入電容，低輸入電容可以向傳輸線54提供高頻率阻抗匹配。這些和其他的單晶體管配置還可以提供電流增益以減少激光驅(qū)動(dòng)器52所需的驅(qū)動(dòng)電壓。
另外，單晶體管配置可以提供低輸出阻抗，這將幫助降低在提供給激光二極管58的電驅(qū)動(dòng)信號(hào)中的振蕩。振蕩例如可能由放大器56的一個(gè)或者多個(gè)輸出電容、激光二極管58的寄生電容以及放大器56和激光二極管58之間的寄生電感產(chǎn)生。
在另一個(gè)示范性實(shí)施例中，在電容53和激光驅(qū)動(dòng)器52之間增加附加放大器。附加放大器例如可以是一個(gè)固定增益反相線性放大器。當(dāng)光發(fā)射器采用“雙環(huán)”控制電路配置(也就是一個(gè)固定消光系數(shù)控制環(huán)路和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)固定光能控制環(huán)路)時(shí)，附加放大器便非常有用。這種“雙環(huán)”控制電路經(jīng)常采用對(duì)“1”電平激光器驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行小幅度、低頻率顫音調(diào)制，然后一個(gè)監(jiān)控光電二極管檢測(cè)激光器驅(qū)動(dòng)電流，并用激光器驅(qū)動(dòng)電流來估計(jì)激光二極管的調(diào)制斜度效率。然后再用估計(jì)出的調(diào)制斜度效率來調(diào)整激光器調(diào)制幅度，以保持固定的消光系數(shù)。
通過調(diào)制形成驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)的高速雙極差分對(duì)或N-通道FET晶體管的尾電流可以實(shí)現(xiàn)調(diào)制“1”電平電流。如果這樣的驅(qū)動(dòng)器的差分輸出中的一個(gè)直接連接到激光二極管，可以實(shí)現(xiàn)只對(duì)光“1”電平進(jìn)行低頻率顫音調(diào)制。由于“0”電平接近于二極管的發(fā)光門限，并且在該點(diǎn)附近進(jìn)行調(diào)制可能會(huì)導(dǎo)致接通抖動(dòng)的高電平，因此并不需要對(duì)“0”電平進(jìn)行調(diào)制。
而且，如果在雙環(huán)路數(shù)字驅(qū)動(dòng)器和激光二極管之間使用了前面所述的線性緩沖放大器，“0”和“1”電平的反相將會(huì)導(dǎo)致來自典型的雙環(huán)路驅(qū)動(dòng)器的顫音調(diào)制將在“0”電平顯現(xiàn)，而不是在“1”電平顯現(xiàn)的問題。如果在雙環(huán)路激光驅(qū)動(dòng)器52和與激光二極管連接的放大器56之間使用了附加放大器(也就是反相線性放大器)，這個(gè)問題將會(huì)得到矯正。該反相放大器既可以集成到激光驅(qū)動(dòng)器52中，也可以集成到附加放大器中，但是為了降低在激光二極管附近的功率損耗，將反相放大器和激光二極管52集成在一起更加合適。
在另外的實(shí)施例中，可以使用監(jiān)控光電二極管來監(jiān)控激光二極管58的輸出。將受監(jiān)控的信號(hào)作為控制激光器調(diào)制和/或偏壓的反饋信號(hào)。例如，可以監(jiān)控光電二極管設(shè)置在和激光二極管58和/或放大器56的同一個(gè)TO罐中。
圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示范性實(shí)施例的光發(fā)射器100的示意圖。例如，光發(fā)射器100可以用作圖1所示的示范性光傳輸系統(tǒng)中的光發(fā)射器14。在光發(fā)射器100中，將配置為直流連接共漏極放大器的單個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，例如偽形態(tài)高電子遷移率晶體管(PHEMT)作為放大器。在另外的實(shí)施例中，使用雙極性晶體管(例如NPN雙極性晶體管)作為共集電極放大器。在其它的實(shí)施例中，也可以使用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其它晶體管。
光發(fā)射器100包括激光驅(qū)動(dòng)器102和激光二極管108。激光驅(qū)動(dòng)器102接收數(shù)據(jù)124，并用這些數(shù)據(jù)來調(diào)制激光二極管108。數(shù)據(jù)124的數(shù)據(jù)比率例如為10Gbps或者更高。激光驅(qū)動(dòng)器102還接收激光器調(diào)制幅度控制輸入122，利用激光器調(diào)制幅度控制輸入122來控制激光二極管輸出的峰-峰幅度。
在該示范性實(shí)施例中，激光驅(qū)動(dòng)器102經(jīng)過一段傳輸線104驅(qū)動(dòng)晶體管106。傳輸線104可以是電路板和/或彎曲電路中的共平面?zhèn)鬏斁€或者微波傳輸帶。傳輸線104的長度近似為1.25cm(厘米)，并且在大約0.25cm到幾個(gè)厘米之間變化。在晶體管106的漏極和地之間布置有電容118。電容118可包括兩個(gè)并聯(lián)的電容，電容值較小的一個(gè)電容(例如60到100pf)在激光二極管108的TO罐內(nèi)，電容值較大的一個(gè)電容(例如0.1μf)在該TO罐之外。
光發(fā)射器100進(jìn)一步包括向激光驅(qū)動(dòng)器102提供直流(DC)負(fù)載的負(fù)載電阻110。負(fù)載電阻110還給傳輸線104提供反向終止，從而在激光驅(qū)動(dòng)器102的輸出阻抗和傳輸線104的特征阻抗之間實(shí)現(xiàn)實(shí)際匹配(substantialmatching)。在光發(fā)射器100中，電容116和電感120形成偏壓T網(wǎng)絡(luò)，這樣激光器偏壓控制信號(hào)126穿過傳輸線104和電感120施加到晶體管106的柵極上，因此可以通過激光器偏壓控制信號(hào)126控制晶體管106和激光二極管108的直流偏壓。電容116提供直流阻隔，將激光驅(qū)動(dòng)器102的輸出和激光器偏壓控制信號(hào)126隔開。
選擇合適的阻抗匹配電阻114，使得阻抗匹配電阻114可以提供傳輸線104需要的終止阻值，從而在晶體管106的輸入阻抗和傳輸線104的特征阻抗之間實(shí)現(xiàn)實(shí)際匹配。本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)實(shí)現(xiàn)合適匹配和操作光發(fā)射電路所需的不同電路元件的值有充分了解，這些電路元件包括電容、電阻和電感等。
晶體管106提供相對(duì)高的輸入阻抗，該輸入阻抗并沒有讓傳輸線104的輸出承擔(dān)過重的負(fù)擔(dān)?？梢杂门渲脼榘l(fā)射極跟隨器的NPN雙極性晶體管替換晶體管106。該晶體管源極或者發(fā)射極的輸出連接到激光二極管108，向激光二極管108提供低阻抗驅(qū)動(dòng)信號(hào)，該低阻抗驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以減少由晶體管106和激光二極管108之間的寄生電感所產(chǎn)生的振蕩。這樣可以解決當(dāng)前的互連驅(qū)動(dòng)器和激光二極管中遇到的一個(gè)難題(也就是振蕩)。
在該示范性的實(shí)施例中，由于沒有電阻與激光二極管106串聯(lián)，所以降低了對(duì)電源電壓Vcc的需求。例如，在最壞的情況下，在最大電流下穿過激光二極管106的電壓峰值將高達(dá)2.0V。如果電源電壓Vcc是3.3V，那么晶體管106的集電極到發(fā)射極電壓還剩下1.3V。對(duì)于晶體管的正常工作而言，1.3V已經(jīng)足夠了。
另外，典型的激光器動(dòng)態(tài)阻抗是7Ω，當(dāng)在最壞的情況下調(diào)制電流達(dá)到80mApp(毫安，峰-峰)時(shí)，激光二極管108的正極(與晶體管106的發(fā)射極連接)的交流電壓擺動(dòng)是0.56Vpp。典型的單晶體管跟隨器電壓增益為0.5，激光驅(qū)動(dòng)器102需要的輸出電壓擺動(dòng)為1.12Vpp。這個(gè)電壓擺動(dòng)遠(yuǎn)小于不采用晶體管、而是通過阻抗匹配電阻和經(jīng)過傳輸線104直接驅(qū)動(dòng)激光二極管108時(shí)激光驅(qū)動(dòng)器102需要的電壓擺動(dòng)，此時(shí)的電壓擺動(dòng)為2.0Vpp或4.0Vpp。
因此，由于降低了對(duì)激光二極管102的電壓擺動(dòng)的需求，再加上對(duì)跟隨器級(jí)的低Vcc需求，設(shè)計(jì)出具有低電源電壓的未冷卻光發(fā)射器成為可能，而且與從傳輸線經(jīng)過阻抗匹配電阻直接驅(qū)動(dòng)激光二極管相比，減少了總功率損耗。
而且，與激光驅(qū)動(dòng)器IC非常接近激光二極管相比，降低了功率損耗和在激光二極管附近的發(fā)熱。例如，一個(gè)傳統(tǒng)的差分驅(qū)動(dòng)器工作在3.3V電源電壓下，并向激光器提供80mApp的調(diào)制電流，那么只是調(diào)制電流本身就將產(chǎn)生80mA×3.3V＝264mW的功率損耗。典型的驅(qū)動(dòng)器還將增加幾百毫瓦的內(nèi)部增益級(jí)和用于其它功能的額外功率損耗。
對(duì)于同樣的80mApp的調(diào)制電流，在具有晶體管的上述實(shí)施例中，由于調(diào)制電流在一半的時(shí)間都為零，所以平均功率損耗只有40mA×3.3V＝132mW。跟隨器驅(qū)動(dòng)器的單端性質(zhì)使得非常接近激光二極管108的調(diào)制伴生功率損耗減半。另外，為了將發(fā)熱效應(yīng)降至最低，激光驅(qū)動(dòng)器102可以遠(yuǎn)離激光二極管108。
由于減少了所需要的激光驅(qū)動(dòng)器102的電流擺動(dòng)，額外的優(yōu)點(diǎn)是將保留有附加功率。例如，當(dāng)驅(qū)動(dòng)50Ω負(fù)載加上50Ω反向終止電阻時(shí)，為了獲得驅(qū)動(dòng)晶體管106所需要的1.12Vpp，驅(qū)動(dòng)器電流需要為1.12V/25Ω＝44.8mA。激光驅(qū)動(dòng)器102的調(diào)制伴生功率損耗為44.8mA×3.3V＝147.8mW。晶體管106和激光驅(qū)動(dòng)器102的調(diào)制伴生功率損耗之和為147.8mW+132mW＝279.8mW，它僅稍大于激光驅(qū)動(dòng)器102直接驅(qū)動(dòng)激光二極管106所需的功率264mW。
因此，本質(zhì)上并沒有增加總功率損耗，而晶體管106實(shí)質(zhì)上減少了在激光二極管緊密周圍的功率損耗。該功率損耗的減少可以極大地簡化熱量設(shè)計(jì)和減少激光器封裝的成本。另外，由于晶體管106需要很少的無源元件和外部連接，可以將它和激光二極管108共同封裝在一個(gè)很小的只有少量外部電連接的外殼內(nèi)。在另外的實(shí)施例中，可以在Vcc和晶體管106的漏極之間加上電阻，以減少激光二極管(例如在TO罐內(nèi))的功率損耗。
在另一個(gè)示范性實(shí)施例中，可以將附加的電感與晶體管106的源極連接，以向除晶體管106提供的直流電流之外的激光二極管偏流提供通道。該附加電感的另一端可以與激光器偏壓控制信號(hào)連接。如果采用這種配置，晶體管106發(fā)送的直流電流將會(huì)降低。因此，總功率損耗和激光二極管108周圍的伴生發(fā)熱也會(huì)降低。
可以在附加電感和晶體管106的源極之間加上電容。另外，還可以在晶體管的源極和地面之間布置另一個(gè)電感。在這種方式下，經(jīng)過晶體管106和激光二極管108的直流電壓降不會(huì)連續(xù)地增加，所以每個(gè)設(shè)備都分別有可以在工作中應(yīng)用的充分電源電壓。如果晶體管106和激光二極管108直接串聯(lián)連接，那么當(dāng)電源電壓降低時(shí)便不能提供足夠的工作電壓。當(dāng)電源電壓降低時(shí)，例如電源電壓降低到1.8V或者1.2V(例如從3.3V下降)時(shí)，這種結(jié)構(gòu)非常有用。
在另一個(gè)示范性實(shí)施例中，在晶體管106(例如配置為共集電極放大器的NPN雙極性晶體管)的基極和正電源電壓Vcc之間增加阻抗匹配電阻，正電源電壓Vcc可以為3.3V。在這種情況下，需要選擇合適的阻抗匹配電阻和電阻114，以使得該阻抗匹配電阻和電阻114的并聯(lián)組合可以在晶體管106的輸入阻抗和傳輸線104的特征阻抗之間實(shí)現(xiàn)實(shí)際匹配。由于使用兩個(gè)阻抗匹配電阻，它們的值大于只使用一個(gè)終接電阻(例如電阻114)的情況。因此，當(dāng)基極電壓一定時(shí)，它們吸收更少的電流，所以將會(huì)減少總功率損耗。
另外，在又一個(gè)示范性實(shí)施例中，并不用共集電極放大器來替換晶體管106，而是用配置為共發(fā)射極放大器的NPN雙極性晶體管來替換晶體管106。換句話說，激光二極管108布置在正電源電壓Vcc和NPN雙極性晶體管的集電極之間，而不是布置在NPN雙極性晶體管的發(fā)射極和地之間。在這種方式下，對(duì)于相同的激光器調(diào)制電流擺動(dòng)，可以使用更低的驅(qū)動(dòng)電壓。不過，對(duì)于給定的晶體管，可能會(huì)導(dǎo)致更高的有效輸入電容，并且會(huì)產(chǎn)生高輸出阻抗，高輸出阻抗會(huì)限制晶體管減少激光二極管驅(qū)動(dòng)電流波形振蕩的能力。當(dāng)使用FET(例如PHEMT)時(shí)，晶體管也可以配置為共源極。
除了電容154串聯(lián)連接電阻114和用電阻152替換電感120之外，圖4所示的光發(fā)射器150和圖3所示的光發(fā)射器100相同。增加的電容154允許在晶體管106的柵極處的電路節(jié)點(diǎn)有對(duì)地的高直流阻抗。因此，激光器偏壓控制電路只需要少量電流，并且可以使用電阻152來替代電感120。
去掉電感120后，可以改善高頻性能，這是因?yàn)閷?shí)際中的電感通常有大量的寄生電容，而寄生電容限制了頻率范圍，這樣它們表現(xiàn)為對(duì)于傳輸線104的高阻抗。同電感相比較，電阻可以在更寬的頻率范圍內(nèi)提供高阻抗，所以可以獲得更簡單和更節(jié)約成本的設(shè)計(jì)。
和圖3所示的光發(fā)射器100一樣，也可以用雙極性晶體管(例如NPN雙極性晶體管)或者本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的其它合適晶體管來替換光發(fā)射器150的晶體管106。
在另一個(gè)示范性實(shí)施例中，圖4中的光發(fā)射器可以包括附加元件。例如，可以加上與電容154并聯(lián)的電阻，也就是，在電阻114和電容154之間的一個(gè)節(jié)點(diǎn)和地面之間加上該電阻。另外，可以在電容116和傳輸線104之間增加并聯(lián)電阻和電容(一個(gè)并聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò))。在這種方式下，同圖4中的結(jié)構(gòu)相比，電容154的電容值可以更小，所以物理尺寸也更小。
例如，對(duì)于圖4中的光發(fā)射器150，電容154的典型電容值為0.1μf(微法)。增加連接上面所述的電容和電阻后，電容154的電容值可以為100pf(皮法)。由于諸如TO罐等激光器封裝的可利用空間有限，電容尺寸的這個(gè)差異在實(shí)際設(shè)計(jì)中非常有用。
例如，即使電容154的電容值很小，在電容116和傳輸線104之間的并聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)可以提供均衡以保持總體平坦的頻率響應(yīng)。與電容154并聯(lián)的電阻應(yīng)該足夠高，從而可以不使用電感而繼續(xù)使用電阻152。如果并聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)中的電阻的阻值和與電容器154并聯(lián)的電阻的阻值相同，并且并聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)中的電容的電容值和與電容器154的電容值相同，那么可以保持平坦的頻率響應(yīng)。
和圖4所示的光發(fā)射器150一樣，也可以用雙極性晶體管(例如NPN雙極性晶體管)或者本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的其它合適晶體管來替換晶體管。
雖然通過一些具體的示范性實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見可以對(duì)本發(fā)明做出許多附加修改和變化。因此可以理解，可以不按照已描述的方式實(shí)踐本發(fā)明。所以，本發(fā)明中的各具體實(shí)施例應(yīng)該是示范性的，而并不是限制性的，本發(fā)明的范圍由附屬權(quán)利要求及其變化來確定。
權(quán)利要求
1.一種光發(fā)射器，包括驅(qū)動(dòng)電路，用于接收數(shù)據(jù)并應(yīng)用該數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)激光二極管；具有第一端和第二端的傳輸線，該第一端連接到驅(qū)動(dòng)電路的輸出；和具有第一接頭和第二接頭的放大器，該第一接頭與傳輸線的第二端連接，第二接頭與激光二極管連接，其中施加在第一接頭的信號(hào)幅度控制激光二極管的光輸出幅度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光發(fā)射器，其中該放大器包括晶體管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光發(fā)射器，其中該放大器包括配置為共集電極放大器的雙極性晶體管。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光發(fā)射器，其中該放大器包括配置為共發(fā)射極放大器的雙極性晶體管。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光發(fā)射器，其中該放大器包括配置為共漏極放大器的FET。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光發(fā)射器，其中該FET包括PHEMT。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光發(fā)射器，其中該放大器包括配置為共源極放大器的FET。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光發(fā)射器，其中該FET包括PHEMT。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光發(fā)射器，進(jìn)一步包括設(shè)置在傳輸線第一端和正電源電壓之間的第一電阻和設(shè)置在傳輸線第二端和地之間的第二電阻，其中該第一電阻和第二電阻分別實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路的輸出阻抗和放大器的輸入阻抗與傳輸線的特征阻抗之間的實(shí)際匹配。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光發(fā)射器，其中該傳輸線從由共平面?zhèn)鬏斁€和微波傳輸帶組成的組中所選擇。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光發(fā)射器，其中該驅(qū)動(dòng)電路接收用于控制激光二極管輸出的調(diào)制幅度的激光器調(diào)制幅度控制信號(hào)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光發(fā)射器，其中該放大器接收用于控制激光二極管輸出的直流偏壓的激光器偏壓控制信號(hào)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光發(fā)射器，進(jìn)一步包括連接在激光器偏壓控制信號(hào)和放大器之間的電感。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光發(fā)射器，進(jìn)一步包括連接在激光器偏壓控制信號(hào)和放大器之間的電阻。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光發(fā)射器，進(jìn)一步包括設(shè)置在驅(qū)動(dòng)電路輸出和傳輸線之間的電容，其中該電容執(zhí)行直流阻隔，以將激光器偏壓控制信號(hào)同驅(qū)動(dòng)電路隔開。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光發(fā)射器，其中驅(qū)動(dòng)電路和激光二極管不在同一封裝中，從而降低在激光二極管附近的熱耗。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光發(fā)射器，進(jìn)一步包括設(shè)置在激光二極管和激光器偏壓控制信號(hào)之間的電感，其中該電感向激光二極管提供直流電流通道，使得放大器傳送電流的需求降低。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光發(fā)射器，進(jìn)一步包括在放大器的第二接頭和激光二極管之間的電容；在放大器第二接頭和地之間的電感，放大器和激光二極管都具有可用于工作的正電源電壓。
19.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光發(fā)射器，進(jìn)一步包括設(shè)置在傳輸線第二端和正電源電壓之間的第三電阻，其中第二電阻和第三電阻的并聯(lián)組合實(shí)現(xiàn)所述在放大器的輸入阻抗與傳輸線的特征阻抗之間的實(shí)際匹配。
20.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光發(fā)射器，進(jìn)一步包括與第二電阻串聯(lián)的交流耦合電容，從而減少功率損耗并提高頻率性能。
全文摘要
一種光發(fā)射器(50)，包括能夠接收數(shù)據(jù)、并經(jīng)過傳輸線(54)應(yīng)用該數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)激光二極管(58)的激光驅(qū)動(dòng)器(52)，傳輸線(54)具有第一端和第二端。傳輸線(54)的第一端連接到激光驅(qū)動(dòng)器(52)的輸出。放大器(56)的第一接頭與傳輸線(54)的第二端連接。放大器(56)的第二接頭與激光二極管(58)連接。施加在第一接頭的信號(hào)幅度控制激光二極管(58)的光輸出幅度。
文檔編號(hào)H04B10/14GK1669249SQ03817054
公開日2005年9月14日 申請(qǐng)日期2003年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月15日
發(fā)明者拜倫·林恩·卡斯帕, 伊娃·派若爾, 約翰尼斯·G·瑞斯金 申請(qǐng)人:特里奎恩特技術(shù)控股公司