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1、激光器驱动电路及其外部接口的设计激光器驱动电路及其外部接口的设计摘摘 要要近几年以来， 随着全球信息化的高速发展，干线传输、城域网、接入网、以太网、局域网等越来越多的采用了光纤进行传输，光纤到路边 FTTC、光纤到大楼 FTTB、光纤到户 FTTH、光纤到桌面 FTTD 正在不断的发展，光接点离我们越来越近。在每个光接点上，都需要一个光纤收发模块，模块的接收端用来将接收 到的光信号转化为电信号，以便作进一步的处理和识别。模块的发射端将需要发送的高速电信号转化为光信号，并耦合到光纤中进行传输，发射端需要一个高速驱动电路和一个发射光器件，发射光器件主要有发光二极管（LED）和半导体激光器（LD）
2、。LED 和 LD 的驱动电路有很大的区别，常用的半导体激光器有FP、DFB 和 VCSEL 三种。激光器驱动电路调制输出接口电路是光模块核心电路之一，它主要包括激光器调制输出终端匹配和旁路 RC 匹配滤波以及激光器直流偏置三个部分电路，每一部分电路的设计将直接关系到模块光信号的输出质量。关键词关键词：激光器； 驱动电路； 光模块； 温度控制； 外部接口电路目目 录录第第 1 1 章章 半导体激光器概述半导体激光器概述第第 2 2 章章 激光发射模块激光发射模块2.1 激光发射模块概述2.2 信标光发射模块的设计2.2.1 激光器驱动电路设计2.2.2 温度控制（ATC）电路设计第第 3 3
3、章章 激光器驱动电路外部接口激光器驱动电路外部接口3.1 激光器驱动电路直流 BLAS 输出隔离3.2 激光器驱动电路调制匹配3.2.1 激光器直流耦合驱动3.2.2 激光器交流耦合驱动3.2.3 激光器直耦与交耦驱动方式的比较第第 4 4 章章 激光器驱动电路调制输出信号分析与接口电路设计激光器驱动电路调制输出信号分析与接口电路设计4.1 传输线理论概述4.2 激光器直流偏置4.3 RC 补偿网络第第 5 5 章章 结束语结束语参考文献参考文献第一章：半导体激光器概述半导体激光器作为常用的光发射器件，其体积小、高频响应好、调制效率高、调谐方便，且大部分激光器无需制冷，是光纤通信系统理想的光源
4、。激光器有两种基本结构类型：（1）边缘发射激光器，有 FP（Fabry-Perot）激光器和分布反馈式（DFB）激光器。FP 激光器是应用最广的一种激光器，但是其噪声大，高频响应较慢，出光功率小，因此 FP 激光器多用于短距离光纤通信。而 DFB 激光器则具有较好的信噪比，更窄的光谱线宽，更高的工作速率，出光功率大，因此 DFB 激光器多用在长距离、高速率光传输网络中。 （2）垂直腔面发射激光器（VCSEL） ，是近几年才成熟起来的新型商用激光器，有很高的调制效率和很低的制造成本，特别是短波长 850nm 的 VCSEL，在短距离多模光纤传输系统中现在已经得到非常广泛的应用。第二章：激光发射模
5、块2.1：激光发射模块概述一般无线激光通信发射机主要包括信标激光发射模块和通信光发射模块两部分，其中信标激光器和通信激光器是发射模块的关键器件。两类发射模块及其通信链路示意图如图 1 所示。通信激光发射模块工作原理：将编码后电信号作为调制信号，经过半导体激光驱动器，改变半导体激光器的输入电流，从而使半导体激光器输出激光的功率随调制信号而改变，即产生调制的光信号。调制光信号经光纤准直器耦合进入光学发射天线，光学发射天线压缩光束发散角，使其达到系统要求的指标，然后将光束发射出去。2.2：信标光发射模块的设计信标激光发射模块为激光通信链路的建立提供用来对准的信标光，为了方便激光发射和接收部分的对准，
6、要求信标光的光束具有较大的柬散角和较高的输出功率。信标光发射模块原理为：首先，驱动部分是由基准电压源产生基准电压，然后将激光器(LD)输出电流转换为电压进行取样，经过反馈环路与基准电压进行比较，利用反馈量来控制驱动电流大小，使供给激光器电流恒定，从而实现恒流控制；将检测二极管(PD)电流大小反馈给驱动，实现功率自动控制；其次，温度控制部分是由内部热敏电阻通过电桥电路放大供给后续的 TEC 电路，利用 TEC 处理芯片实现温度监测和控制。此外由脉冲信号源生成一定周期的时钟频率信号，作为发射模块控制频率，从而达到实现脉冲输出。2.2.1：激光器驱动电路设计激光器驱动电路如图 2 所示，电路设计中，
7、主要采用运算放大器和自动增益控制电路。在该图中电路主要分成两个部分，图中的上半部分电路主要为脉冲驱动，下半部分电路主要为自动增益控制电压电路。在上半部分电路中，P1 为 SMA 接头，采用 50 阻抗匹配将脉冲控制信号接入作为调制激光器驱动的调制信号，通过后续比较器和驱动电路实现开关控制。VD7 为稳压二极管提供稳定电压，通过调整滑动变阻器来实现比较器负输入端参考电压的设定。U8 为 MAX953 集成芯片，内部集成了比较器和放大器。在该部分设计中，通过比较器实现脉冲控制电压和参考电压的比较，将比较信号送入后续由 MAX953 芯片内的放大器构成的电压跟随器正向输入端。在电压跟随器的正向输入端
8、外接参考电压的上拉电阻相接，比较器输出开关信号来控制电压跟随器正向输入端的电压大小实现开关功能，以便完成后续供给场效应管 VQ10 的开启和导通，从而实现脉冲开光信号的整体控制。通过反馈电压控制电压跟随器的上拉电压达到电流恒定驱动的目的。在下半部分电路中，将恒电流反馈或恒功率反馈控制信号通过运放放大，其中运放仍采用U10 中的内部放大器，将该运放作为电压跟随器，输出信号进入运放 U11A 的正向输入端实现放大。U11B 为运放减法电路，将上级放大输出信号与参考电压进行比较输出，VD10 为稳压二极管提供稳定电压，调整滑动变阻器 R77 和 R70 构成的分压电路来实现比较器负输入端参考电压的设
9、定。在该部分电路设计中，自动增益控制电路中的放大器选取带宽较窄、转换速度不能过快的放大器为宜。由于调制频率为 kHz 数量级，因此带宽过大会有很大的噪声干扰，为了使自动增益控制电压维持恒定，必须使该电压变换缓慢，所以选取转变速度较为缓慢的运算放大器。R61 为恒电流模式中的采样电阻，即它将 LD 的电流转换为电压信号，通过反馈回路作为恒流控制信号，将该小信号放大供给后续反馈回路。由于 LD 的输出功率与驱动电流有关，所以驱动电流的稳定性是决定 LD 的输出光功率稳定与否的一个关键因素。本设计采用了自动增益电路对参考电压 Refl 进行控制，即稳定了电流又起到了限定电流作用，而且结构简单实用。2
10、.2.2：温度控制（ATC）电路激光器的输出受环境温度和本身温度变化的影响非常严重。主要是由于 PN 结的内部承受着相当大的电流密度和热耗散功率密度，不可避免地存在各种非辐射、自由载流子吸收等损耗。相当一部分注入电功率将转化为热量，引起激光器温度升高，从而影响其激光的输出。为了稳定输出功率和波长必须稳定激光二极管的温度，因而必须使用温度控制电路对激光器加以温度控制。温度控制电路设计主要包括两部分：由负温度系数热敏电阻组成的桥式放大电路，该部分电路主要是采用 OPA1177 芯片和外围电路组成；另外是以由半导体热电制冷器的驱动控制组成电路，该部分电路主要采用专用热电制冷器控制芯片构成。温度控制原
11、理为：装在激光器组件内的热敏电阻将激光二极管的温度变化转换成电信号，此小信号经过放大后送入TEC 芯片电路，该电路将输入电压与参考电压比较后产生控制信号，控制热电致冷器的电流输入及方向，使其制冷或加热，从而改变激光二极管的温度，此温度变化就会反映到热敏电阻上，即构成了一个温度负反馈系统，动态地控制激光二极管的温度，从而起到稳定温度的作用，使温度稳定在设定值上。第三章：激光器驱动电路外部接口半导体激光器与激光器驱动电路能否进行协调一致的正常工作，关键在于接口电路的信号隔离与传输匹配性能的优劣。激光器驱动电路的输出主要是输出和调制输出，BIAS需要解决的技术问题一是对输出和调制输出进行隔离，稳定终
12、端负载；二是对输入BIAS输出网络进行合理的电路匹配，采用正确的耦合方式，实现调制信号的有效传递。3.1：激光器驱动电路直流 BLAS 输出隔离在激光器二极管阴极保持一恒定的阻抗（主要针对交流信号）是十分重要的，因为它可以使高速输出电路对频率（交流）信号的负载保持稳定，如果电路输出端负载不稳定，那么输出信号将会产生反射、振铃现象，从而导致激光器输出光眼图质量下降。在千兆高速数据速率下，激光器二极管阴极上的任何容性负载均会降低其光输出特性，由于输出端是直接连接到激光器的阴极，因此在引脚上容易产生寄生（次生）电容，BIASBIAS从而激光器二极管阴极在此寄生电容作用下将产生一个关于频率的函数阻抗，
13、并且激光器调制速率越高，这种现象越明显。为了减小这种因激光器二极管阴极阻抗变化所造成的影响，通常在激光器二极管阴极和驱动器偏置电路电流输出端之间串联一个起隔离作用的电感（或者是磁珠） ，如图 3.1 中的标识所示，这一电感对直流偏置电流没有影响，但是对交流调制信号呈现高阻抗。如图 3.1 激光器驱动电路（MAX3738）原理图当然，有时也可在激光器二极管阴极和驱动器偏置电路电流输出端之间直接串联一个起线路阻尼作用的电阻，如图 3.2 中的标识所示，其原因是芯片本身在内部进行了一定的信号隔离处理，驱动器的调制速率也不是很高，如 MAX3646 和 MAX3656 等。如图 3.2 激光器驱动电路
14、（MAX3656）原理图3.2：激光器驱动电路调制匹配激光器驱动电路调制输出是高频信号，为使此信号在激光器二极管和激光器二极管驱动器之间实现不失真的有效传递，就必须对线路（保证传输线的连续性）和终端（保证信号被完全吸收）进行有效的匹配，具体分析在本文第 7 章进行详细论述。调制匹配网络的耦合驱动方式（即激光器驱动方式）有两种，即激光器直流耦合驱动方式（DC）和激光器交流耦合驱动方式（AC） 。激光器驱动方式与激光器调制速率密切相关，目前 1.25Gbps 及以下速率激光器一般均采用直流耦合驱动方式，2.5Gbps 激光器根据具体情况和实际要求可采用交流耦合驱动方式，这两种驱动方式优势互补，应用
15、于不同速率的激光器调制输出接口电路。3.2.1：激光器直流耦合驱动直流耦合为激光器和激光器驱动器的互连提供了一种简单易行的接口解决方案，其接口电路如图 3.3 所示，当供电电压下降至 3.3V 时，驱动器净空电压（净空电压是指供电电压与沿着某个单独的电路支路的电压降总和的差值电压）减小，并可能导致因没有足够的净空电压而不能实现对激光器进行快速切换和高速调制，这是在使用直流耦合时需要注意的地方。对于包含激光器二极管调制电路的净空电压的计算必须包括激光器二极管的压降和激光器因封装引线电感（寄生电感）的作用而产生的瞬时压降以及线路阻尼电阻的DR压降。图 3.3 直流耦合接口电路 典型长波长 FP 激
16、光器二极管要求其前向偏置电压必须规定为 1.21.8V，它是激光 器能带隙电压与激光器等效串联电阻所产生的压降总和，这种类型的激光器其等效串联电 阻的典型值为 46。 激光器封装引线在高速电流切换的条件下产生引线电感（寄生电感） ，流过引线电感 的调制电流将在此引线电感上产生一个与调制电流变化方向相同的瞬时压降，它的大小大概为。如果我们假设一典型激光器其寄生电感大约为 1.5nH,最大调制电流为/LVL it60mA, 激光器调制电流从峰峰值的 20%上升到 80%所需上升时间为 80ps(对于 2.5Gbps 激光器)，那么我们就可以计算出的近似值（需要注意的是调制信号从峰峰值的 20%上升到
