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具有动态偏置的激光器驱动电路

摘 要

本发明的激光器驱动电路可以稳定由数字输入信号调制的激光器（301）的低工作输出功率水平，使其处于固定的预设值Lo，通过自动调节提供给激光器偏置电流Ib_，以补偿由于温度变化和老化引起的激光器阈值变化。该电路包含了快速光电检测器（401），其响应于激光器的调制光输出。光电检测器的输出与数据敏感的参考信号（ir）和预设电平输入信号（io）相关联（306、308），该信号等于所需的低工作输出功率水平Lo的eta;倍，其中eta;是耦合系数。当光电探测器的输入为ZERO时，参考信号ir根据输入数据在0值到输入数据之间变化，当输入为ONE时，由于数据调制，该值估计为光电检测器输出的值。光电检测器输出、数据敏感参考信号ir和电平设置输入信号io的组合是一个不同的信号，该信号是一个与所需的低工作输出电平和估计的工作输出电平之差成比例eta;的差信号。当输入数据为ZERO时，该差信号被具有放大系数Ao的运算跨导放大器（402）放大，而当输入数据为ONE时，该差信号被具有放大系数A₁的运算跨导放大器放大。放大器的输出驱动积分低频误差放大器309，使其在在输出处产生激光偏置电流Ib，该偏置电流到一个值后，使得激光器的低工作功率电平等于Lo，该电平Lo由输入信号i确定。

发明背景

本发明涉及激光电路，更具体地说涉及一种激光器驱动电路，该激光器驱动电路对输入数字信号响应，在高光和低光输出电平之间调制激光的输出，并且将激光的低光输出电平保持在一定的范围内，使之具有相同的设定水平，而不管激光器到激光器的变化，也不管由于老化和温度影响而导致的激光器特性变化。

为了通过光学设备传输数字信号，通常使用激光器将输入的电信号转换为调制的光波。通过调制输入激光器的数字电信号，根据输入数字信号的ONE和 ZERO，激光器分别以低输出功率电平L0和高输出功率电平L1调制光输出信号。当耦合到用于传输的光纤时，该调制光信号可以由接收器检测，该接收器可以根据接收到光信号的变化强度区分ONE和ZERO来将光信号转换回电信号。通常期望用偏置电流Ib使激光器达到低输出光水平，该偏置电流Ib接近激光器开始产生受激光发射阈值点。然后用调制电流Im调制激光器，该调制电流的大小应使消光比gamma;（定义为L1 / L0的比）足够大，以使接收器能够准确地区分接收到的ONE和ZERO。如果将激光器偏置到远低于阈值的水平，光输出将不会与调制电流的大小线性相关，调制电流将会由于电平L1的降低和不确定性而降低接收器的错误性能。另外，如果偏置远远低于阈值，则会减少上升时间以及电平L0和L1之间的过渡状态。同样，高于阈值的偏置值也不能完全应用于激光器的线性动态范围，并且由于接收器对太低的光输出水平的敏感性降低，也会降低接收器的错误性能。因此，期望使激光器的偏置尽可能接近阈值。过去，激光器常常被偏置到低于阈值的位置，但是最近发现它（例如，参见SE Miller，“常常单模注入式激光器开启抖动”，IEEE量子电子期刊，第QE- 1986年1月，第22卷，第1期，第16页）开启延迟和开启抖动会降低性能，并限制激光器的最大运行速度。因此，对于高速工作状态而言，现在偏向于阈值之上的偏置。

但是，由于许多因素会影响激光器的性能，因此无法以固定电流偏置激光器。尤其，激光器对温度、老化和调制数据的变化十分敏感。此外，随着激光器开始工作，其特性可能会变化。这些变化的特性将影响激光阈值和激光器效率，即part;L/part;I——光输出功率-输入电流曲线的斜率。另外，对于指定类型的激光器，激光器的特性将随着设备的不同而改变。因此，应当实时为一个设备选择其偏置电流，该电流用于另一设备时可能在其阈值之上或之下，如果这样将会随着激光器的工作，严重影响其性能。

目前已经设计出多种技术和电路来稳定激光器的偏置水平。在1978年3月28日，美国专利 A. Albanese的一种全电子电路第4,081,670号美国专利。在该电路中，设计了监视激光器的结电压变化以确定激光器何时降至阈值以下并设置偏置电流。该电路不能用于将激光器偏置到阈值以上，因为调整偏置点所需的信号不会出现在阈值以上。

更典型的电路布置包含了使用光反馈电路来稳定激光器。在1980年由C.P. Sandbank、John Wiley和Sons编辑的《光纤通信系统》第210页图157中示出了常见的电路系统。在该系统中，由激光器背面发出的光功率由慢速光电检测器测量，并且光电检测器的平均输出功率被调整为恒定值。然而，数据模式中出现 ZERO或者ONE时，将导致偏置电平上调或下调，以保持恒定的平均测得功率。并且，由于没有补偿激光器的斜率效率变化，必须对每个激光器进行单独调整。

更复杂的光反馈电路会先估计低输出功率电平L0，以确定应提供给激光器的偏置电流。在1982年于纽约Springer-Verlag出版的《应用物理和光通信的半导体器件》第二版第39卷第184页图5.20中示出一种激光偏置控制电路可以补偿由于温度变化引起的阈值变化。在该电路中，通过反馈回路调节偏置，使光电检测器产生的平均光电流与输入驱动电压数据模式的平均值保持恒定。通过将数据模式与光电检测器输出进行比较，可以独立于数据的占空比来保持控制。然而，反馈回路中的精确调整部分取决于响应于激光器光输出的光电检测器耦合系数以及激光器的效率part;L/part;I。光电探测器的耦合系数eta;随器件的不同而改变，因此该电路无法自动补偿由于器件参数变化而引起的变化。因此，每个这样的电路必须单独调谐，这样工作量很庞大，而且对于用于消费的激光装置的批量生产是不利的。此外，该电路还不能补偿激光器效率的变化。

在1978年11月23日Electronics Letters出版《使用倾斜检测器的高比特率系统的激光电平控制电路》第14卷第775-776页中描述了另一种光反馈电路。在该电路中，当数据为ZERO时，低频率小幅度信号会叠加在激光电流上。激光的低频调制由慢反馈光电二极管检测，检测到的低频信号幅度可以反映出L0光输出水平是高于还是低于阈值。平均功率也由同一光电二极管检测，以便确定并控制L1的输出功率水平。该电路比先前描述的电路更复杂，并且不允许偏置高于阈值。

上述文本《光纤通信系统》第213页图161中示出了一种电路，该电路不需要器件之间的调节，并且可以补偿由于温度变化和老化引起的阈值和激光器效率的变化。该电路中，在ONE电平和ZERO电平时对被检测的光波形进行采样，并与预设的需求值进行比较，相应地调整偏置电流和调制电流。但是，该电路需要两个反馈回路，因此需要更复杂的电路实现，而且很难高速实现。

通常，不太复杂的现有技术电路为器件参数变化提供的余量不足，并且需要严格的制造控制以实现期望的性能。而且，不太复杂的现有技术电路也不提供对激光器效率变化的校正，确实可以提供足够补偿的更复杂现有技术电路仅在较低数据速率下才具有令人满意的性能。

因此对于理想的高速光电电路，需要一种简单的激光器驱动电路，用于响应输入数字信号来调制激光器的输出功率，并且无论温度、老化和器件之间的变化如何，都能将激光器的工作点保持在相对稳定的点上。

发明内容

本发明的激光器驱动电路在部分上述现有技术电路的基础上结合了光反馈，以将激光的低工作输出功率电平L0稳定在固定的预设值。控制激光偏置电流Ib的反馈电路包含了一个快速光电探测器，该探测器响应激光器的数据调制光输出。该光电检测器产生的信号与数据敏感参考信号和预设电平设置输入信号相结合等于所需低工作输出功率电平L0乘以eta;，其中eta;是光电检测器的耦合系数。当输入数据为ZERO时，数据敏感参考信号在零值到输入数据之间变化；当输入为ONE时，由于输入时数据调制，该值估计等于光电检测器的输出。光电检测器输出、数据敏感参考信号和电平设置输入信号的组合是一个不同的信号，该信号为与所需的低工作输出电平和估算的低工作输出电平之差成比例eta;的差信号。根据本发明，该差信号在反馈电路中由数据控制的可变增益放大器放大，当输入数据为ZERO时，该变量具有较大的放大倍数，而当输入数据为ONE时，该变量具有明显较小的放大倍数。因此，当输入为ONE并且更偏离所需的L0值时，放大器的输出将不再强调L0估算值的反馈效应。可变增益放大器的输出驱动集成低频误差放大器完成反馈回路，并且在其输出处产生激光偏置电流，该偏置电流被驱动至值Ib，从而使激光器的低工作输出功率电平等于 L0，该电平由电平设置输入信号确定。

本发明的优点在于，除了可以稳定偏置电流以补偿由于温度和老化效应引起的激光阈值变化之外，本发明的激光器驱动电路还对器件参数变化（例如，器件间的eta;变化）的灵敏度大大降低，并且大大降低了对激光效率part;L/part;I变化的敏感度。

图示简介

图1是典型注入式激光器的一系列输出光功率（L）-电流输入（I）特性，可以表示温度升高对激光器阈值和激光器效率的影响；

图2是固定温度下激光器的L-I特性，其表示激光器阈值Ith、偏置电平Ib、调制电流Im和激光输出功率之间的关系；

图3是现有技术的激光器驱动电路的框图；

图4是本发明的激光器驱动电路的框图。

图1

图2

图3

图4

发明详情

图1表示在不同工作温度下典型注入式激光器的光输出（L）-电流输入（I）特性。值得注意是，在一定的电流输入下（称为激光阈值），受激光开始发射。然而，受激发射开始的特定点高度取决于器件的温度和老化效应影响。从图1中的一系列L-I曲线可以看出，温度升高的一阶效应是激光阈值的升高。但是，随着器件温度的进一步升高，会产生二阶效应，即激光器的效率part;L/part;I降低，因此需要更大的电流增量才可以在较低的温度下实现同样的光输出增量。除了温度对激光阈值的影响外，老化效应也会类似地导致阈值增加。老化的附加影响可能会使激光器效率降低，也可能不会使其降低，具体取决于各个设备。

图2表示在固定温度下的激光器的L-I特性。如上所述，期望以高于阈值水平Ith的电流Ib偏置激光器。用电流Ib偏置时的光输出为L0。当输入数字信号调制激光电流时，此时将为输入信号中的每个ONE提供额外的电流Im到激光器，光输出将增加Delta;L到L1，约为part;L/part;I与Im的乘积。通常，选择调制电流以使消光比gamma;等于L1 / L0（约为10），以确保令人满意的接收器噪声性能。

如前所述，已知各种现有技术的激光器驱动电路通过将L0保持在相同的预选电平来补偿温度变化，而与输入数据模式无关。这种电路架构，即上述文本“应用物理与光学通信的半导体器件”中的图5.20示出的电路，即图3。如图3所示，通过激光器301的电流包括为反馈电路提供和调节的偏置电流Ib与从输入端303的数据信号经过整形放大器302提供给激光器301的调制电流Im之和。整形放大器通常可以是差分放大器，当303上的输入为ZERO时，其向激光器301提供零附加电流；当303上的输入为ONE时，其向激光器301提供Im附加电流。因此，激光电流根据输入端303上的数据在Ib和Ib Im之间变化，而光输出在L0和L1之间相应地变化。慢速光电检测器304检测激光器301的光输出，该慢速光电检测器304在引线305上产生与该激光器的低电平输出成比例的反馈电流，该反馈电流等于eta;L0，并且由于调制而具有叠加变化eta;Delta;L。如前所述，eta;等于激光器301和光电探测器304之间的耦合系数。该反馈电流在求和节点306处与参考电流ir合流，电流ir是通过可调节电压-电流转换器307（例如电流转向门）从输入303上的调制数据信号得出的，当输入为ONE时，幅值等于估算的eta;Delta;L。因此，电流ir在输入数据为ZERO时的0和在输入数据为ONE时估算的eta;Delta;L之间。所得电流等于估算为eta;L0，在积分低频误差放大器309输入端的求和节点308与电平设置输入电流i0合流。根据所采用激光器的性能来设置电流i0，以对应期望激光器eta;L0的低电平光输出。因此，回路的反馈作用将通过光检测器304电流的平均值保持为所需的eta;L0加上ir的平均值。如果在输入为ONE时通过电压-电流转换器307选择ir等于eta;Delta;L，则低电平激光输出将对应于所需的eta;L0。

分析得出，L0如下：

其中d是调制数据信号的占空比。如前所述，如果根据调制来选择ir以抵消eta;Delta;L项，则低电平激光器输出对应于所需的i0 /eta;。ir的确定是在制造时通过检查作为时间的函数并响应于低频数据输入的Ib来实现的，调节每个电路并调节ir直到Ib与数据无关。尽管这种调整程序针对少量、昂贵的激光器模块或许令人满意，但是这种程序不能在针对消费产品的廉价、批量生产设备上有效地执行。过去已有的激光器驱动电路对精确调整还有些不敏感，因此，接下来将要说明的电路，它更适合在这种低成本的激光封装中使用。

前面所述现有技术的激光器驱动电路确实校正了接下来要说的由于老化或温度引起的激光阈值的变化。当激光阈值由于老化或温度而改变时，低电平光输出L0应当取不同的值。假设L-I曲线的斜率保持恒定，从而Delta;L保持不变，当与固定的所需输入eta;L0相比时，那么eta;L0就类似地发生变化，从而在放大器309的输入端产生误差信号。最终的误差信号在这个方向驱动Ib，以迫使L0返回到原始的固定值和所需值。

然而实际上由于温度效应导致Delta;L变化时，激光器效率part;L/part;I确实会发生变化，现有技术电路就会出现问题。此外，eta;的微小变化也会导致L0的显著变化。关于前者，如果Delta;L确实变化，则到放大器309的输入处的误差信号将包含与L0无关而依赖于数据的波动，这将导致L0移动到阈值之上或之下的我们不期望达到的水平。关于后者，在现有技术的包装中，

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